Болезни, затрагивающие множественные органы могут указывать на роль некоторых киназ с развитии целого ряда тканей. Мутации в
при синдроме Carney, демонстрируют важность этого гена в сердечной, эндокринной, кожной и нервной ткани (REF. 44) (FIG. 2b). Также участие
в синдроме Coffin-Lowry указывает на его критическую роль в скелете, росте и когнитивном развитии
. Среди др. STKs, ICK участвует в endocrine-cerebro-osteodysplasia, мультиорганном заболевании, летальном для новорожденных (REF. 46) (FIG. 2b). Хотя ICK выполняет роль в развитии в ряде тканей, вообще-то в раннем развитии, до обширной дифференцировки эмбриональных зародышевых слоёв, её сигнальный путь и прямые взаимодействия с др. белками пока ещё полностью не охарактеризованы.
Протеин киназы являются наиболее часто мутируемым семейством генов, которые вносят вклад в неопластическое озлокачествление с приблизительно четырехкратным доминированием по сравнению со случайным выбором того же самого количества
Figure 2 | Genetic pleiotropy. Germline point mutations in selected kinases illustrate genetic pleiotropy. Each disease name is displayed on the schematic diagram of its corresponding kinase on which point mutations are depicted with red lines. a | The four examples of tyrosine kinases (TKs) are the three proteins from the fibroblast growth factor receptor (FGFR) family (FGFR1, FGFR2 and FGFR3) and the insulin receptor (INSR). Point mutations in the FGFR family are associated with craniosynotosis syndromes, as well as osteo- and endocrine dysplasias. INSR mutations are associated with endocrine disorders.
b | cAMP-dependent protein kinase type I-a regulatory subunit (PRKAR1A) and intestinal cell kinase (ICK) are shown as examples of serine-threonine kinases (STKs) that are associated with syndromes according to the location of point mutations in conserved regions. A, Apert syndrome; Ach, achondrodysplasia; C, carboxyl-terminus; Ca, Carney complex; CS, Crouzon syndrome; ECO, endocrine-cerebro-osteodysplasia; HH, hypgonadotropic hypogonadism; LADD, lacrimoauriculodentodigital syndrome; M, Muenke syndrome; N, amino-terminus; P, Pfeiffer syndrome; TD1, thanatophoric dysplasia type 1; TD2, TD type 2.
генов47. Некоторые избыточно представленные киназы обнаруживают определенную склонность, учитывая большие размеры этого семейства. Однако мутации в большинстве протеин киназ были идентифицированы с помощью подходов позиционного клонирования, так что выяснение склонности вряд ли полностью объясняет их избыточную представленность среди раковых генов47.
TAbLE 2 представляет примеры киназ, которые вызывают рак благодаря соматическим мутациям, в основном из базы данных Catalogue of Somatic Mutations in Cancer (COSMIC) (REF. 48) (box 1). Киназы в этой таблице имеют мутации в более 1% проанализированных случаев и функционально оценены на мышиных моделях (более детальный список киназ представлен в Supplementary information S2 (table)). TAbLE 2 и Supplementary information S2 (table) показывают, что многие раки обусловлены приобретением соматических мутаций и что большинство киназ являются прото-онкогенами, которые и характеризуются этими рак-вызывающими мутациями. Однако, некоторые раковые синдромы вызываются наследуемыми мутациями зародышевой линии в про-онкогенах и опухоль супрессирующих генах (TAbLE 1). Примеры раковых опухолей, вызываемых наследуемыми мутациями в киназных прото-онкогенах, включают multiple endocrine neoplasia type 2, thyroid carcinoma, pheochromocytoma, обусловленную RET ( 'rearranged during transfection' gene) мутациями, hereditary gastrointestinal stromal tumours, обусловленные мутациями platelet-derived growth factor receptor α (PDGFRA)21 и Li-Fraumeni синдром, обусловленный мутациями в CHEK2 (REF. 49). Примеры супрессирующих опухоли генов, которые приводят к раку в результате соматических и зародышевой линии мутаций, это MAPK10 при опухолях головного мозга и STK11 при синдроме Peutz-Jeghers syndrome.
Специфическая злокачественность, обеспечиваемая протеин киназами, активно исследовалась, чтобы идентифицировать функциональные роли и тканевую специфичность соотв. киназы. Напр., первичная базирующаяся на FLT3 злокачественность является ALL
54. Это коррелирует с наблюдением, что FLT3 в основном обнаруживается в нормальных гематопоэтических клетках
55. Напротив, базирующиеся на receptor tyrosine kinase-like orphan receptor 2 (
ROR2) раковые опухоли, такие как почечно-клеточная и colorectal-специфическая карцинома
21,56, затрагивают ткани, в которых ROR2 обычно не обнаруживается -Т.е., в клоне хондроцитов, телэнцефалоне, сердце и дерме
57. Следовательно, специфический раковый фенотип предоставляет информацию о биологических функциях, регулируемых с помощью соотв. мутантных или нарушенных протеин киназ. Кроме того, изучение протеин киназ, связанных со специфическими формами раковых опухолей могут пролить свет на понимание лежащих в основе патологических механизмов. Напр., TEK, которая является TK, расположенной в эндотелии, как установлено, вызывает рак молочных желез, яичников и почек. Эта информация о паттерне локализации киназы ведет к улучшению диагностики и лечения, т.к. злокачественный триггер располагается в клоне эндотелиальных клеток скорее, чем в др. тканях затронутого органа.
Genotype-phenotype relationships
Mode of inheritance in kinasopathies. TAbLE 1 демонстрирует преобладание аутосомно-доминантных связанных с киназами нарушений по сравнению с аутосомно рецессивными или X-сцепленными заболеваниями. Интересно, что большинство нарушений, которые связаны с нервной или иммунной системой являются аутосомно рецессивными, тогда как большинство нарушений, которые затрагивают скелетную, гематологическую, сосудистую и эндокринную и метаболическую систему, являются аутосомно доминантными. Хотя объяснение подразделения по типам мутаций не очевидно, оно может иметь отношение к распределению наследования в соответствии с вовлечением системы органов, отражающим таковое для мутаций в lamin A/C (LMNA), который кодирует структурный не-киназный ядерный белок. Нейрологические laminopathies могут обнаруживать аутосомно рецессивное наследование, но миопатии, кардиопатии и эндокринопатии обнаруживают тенденцию к аутосомно доминантному наследованию58. Вообще-то корреляция между распределением фенотипов и способом наследования при киназопатиях - также как и при др. нарушениях, таких как laminopathies - отражает устойчивость сигнальных сетей в ходе нормального развития определенной ткани или системы органов, подобно нервной системе.
Mutations resulting in gain- or loss-of-function. Мутации избыточной функции увеличивают конституитивную киназную активность, иногда приводя к необузданной передаче сигналов клетками и могут запускать онкогенез или вызывать редкие наследуемые доминантные фенотипы. Напротив мутации потери функции могут приводить к потере передачи сигналов клетками, это м. влиять на рост клеток и тканей или развитие органов. Это иллюстрируется мутациями в прото-онкогене RET, который кодирует рецепторную TK, которая принадлежит к сверхсемейству59. Т.к. RET широко экспрессируется и играет критическую роль в клонах нервного гребня и регулирует пролиферацию, миграцию, дифференцировку и жизнеспособность клеток во время эмбриогенеза59, RET мутации вызывают заметное разнообразие фенотипов в зависимости от своей природы. Конституитивная активность RET, обусловленная мутацией избыточной функции, ведет к разного типа раковым опухолям человека, включая множественные эндокринные neoplasia type 2B60 и её индивидуальным компонентам, таким как familial medullary thyroid cancer61
и familial pheochromocytoma62. Однако мутации с потерей функции RET у человека и Ret нарушения у мышей63 ассоциируют с болезнью Hirschsprung, агенезом почек64 и синдромом центральной hypoventilation65. Сходным образом BRAF, который кодирует STK, которая регулирует сигнальный путь ERK66, вызывает различные физиологические последствия, базирующиеся на типе мутаций. Соматические мутации с избыточной функцией BRAF ассоциируют с non-Hodgkin lymphoma, colorectal cancer, злокачественной меланомой, тироидной карциномой и легочной карциномой67. Напротив, зародышевой линии мутации с потерей функции в BRAF ведут к cardio- facio-cutaneous syndrome (CFC синдрому) у человека68, а Braf-нулевые мыши погибают в середине беременности, указывая на ключевую роль BRAF в регуляции запрограммированной клеточной гибели69.
Genetic pleiotropy. Некоторые киназные гены обнаруживают плейотропию, при которой некоторые фенотипы возникают в результате мутаций в одном и том же гене (FIG. 2). Напр., мутации в insulin receptor (INSR) вызывают или резистентный к инсулину diabetes mellitus с acanthosis nigricans или Donohue syndrome (также наз. leprechaunism) (FIG. 2a). Эти фенотипы указывают на важность INSR в росте и метаболизме благодаря его способности активировать p21- Ras путь, который в свою очередь контролирует синтез белков, гликогенез, липогенез и апоптоз70.
Сходным образом, FGFR гены обнаруживают плейотропию (FIG. 2). Мутации избыточной функции в регионе immunoglobulin домена в FGFR1 вызывают синдром Pfeiffer и osteoglophonic dysplasia71, а мутации потери функции по всему белку вызывают hypogonadotrophic hypogonadism40. Мутации в регионе иммуноглобулинового домена FGFR2 вызывают синдромы Crouzon72, Pfeiffer73 или Apert74. Мутации по всему FGFR3 (REF. 18) вызывают синдромы, которые в диапазоне от achondroplasia75 и hypochondroplasia с acanthosis nigricans76 до thanatophoric dysplasias77 и Meunke syndrome (REF. 78) (FIG. 2a), которые характеризуются дисплазией черепа и скелета, обнаруживаются с мутациями FGFR3 в регионе immunoglobulin домена. Хотя полное объяснение такой плейотропии среди мутаций FGFR остается неясным, возможно, что в каждом случае имеет занчение баланс факторов, так что положение мутации, её эффект на каталитическую и некаталитическую функцию и абсолютные изменения киназной активности, которые передаются с помощью мутации, все они в контексте генетического фона индивида, стадии клеточного развития и анатомического положения затрагиваемой ткани(ей)79
Расположение мутации в киназном гене также может предопределять тяжесть синдрома80 (см раздел 'Insights from structural studies'). Напр., мутации в PRKAR1A лежат в основе ряда болезней в зависимости от локализации мутации (FIG. 2b). PRKAR1A является широко экспрессируемой STK, которая соединяется с цАМФ и регулирует каталитическую функцию в сердце, эндокринных тканях, коже и нейронах. Интронные мутации в PRKAR1A, которые вызывают аберрантный сплайсинг ассоциированы с менее тяжелым фенотипом, primary pigmented nodular adrenocortical болезнью81. Напротив, мутации в консервативном домене PRKAR1A, таком как nucleotide-binding сайт или регионы димеризации и фосфорилирования, ведут к Carney комплексу, тяжелому мультиорганному опухолевому нарушению44. Также, как отмечалось выше, плейотропия наблюдалась для мутаций IKBKG, так X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia с иммунной недостаточностью и incontinentia pigmenti38 в результате мутаций в IKBKG кодирующей последовательности. Однако, X-linked hypohidrotic ectodermal dysplasia с иммунной недостаточностью более умеренная и вызывается мутациями в coiled-coil доменах, а incontinentia pigmenti оказывается более тяжелой в результате мутаций, которые затрагивают межбелковые взаимодействия.
Locus heterogeneity. Один и тот же фенотип болезни может иногда быть результатом мутаций разных киназных генов, феномен известный как локусная гетерогенность (locus heterogeneity). Это наблюдается для CFC синдрома, вызываемого главным образом мутациями избыточной функции в одном из трех STK генов - BRAF, MEK1 и MEK2 - все принадлежат к RAS-MAPK пути (REFS 68,82,83) (box 2). Мутации в этих генах показывают, что активация пути RAS-MAPK, независимо от специфических мутаций приводят к одному и тому же онтогенетическому фенотипу и что мутации в любом из этих трех генов не могут быть устранены с помощью сохранившейся функции оставшихся двух STK генов84.
Мутации в родственных белках могут также вызывать сходные фенотипы, как иллюстрирует семейство FGFR. FGFR2 и FGFR3 мутации могут каждая лежать в основе синдрома Crouzon72,85. В целом мутации FGFR1 и FGFR2, вызывают большинство синдромов, участвующих в craniosynostosis, а синдромы карликовости, в основном ассоциированы с мутациями FGFR3. Osteoglophonic dysplasia является
Figure 3 | structural distribution of kinase mutations. a | The structural distribution of common mutations depicted in a generic kinase structure. b | The structural distribution of congenital disease-causing mutations. c | The structural distribution of cancer-associated mutations. Green represents regions that have a mutation frequency equivalent to what would be expected at random, blue represents regions statistically devoid of mutations and red depicts regions statistically enriched in mutations. The 5% significance level was determined by the general binomial distribution based on data obtained from general mutation and genetic variation databases such as dbSNP, OMIM, HGVBase and COSMIC
47,48,50,88,89,93
'перекрывающимся' нарушением со скелетными признаками, которые наблюдаются при мутациях FGFR1, FGFR2 и FGFR3. Они являются результатом missense мутаций в FGFR1, которые изменяют высоко законсервированные остатки в лиганд-связывающем и трансмембранном доменах, указывая что этот рецептор является негативным регулятором рост длинных костей86 .
Insights from structural analysis. Принимая во внимание, что киназы частично охарактеризованы в отношении уникального набора белковых структурных элементов, возможно сравнить некоторые киназные функции с характерными структурными свойствами (FIG. 3). Ясно, что киназные структурные свойства, которые нарушаются при разных болезненных состояниях: это в общем нейтральные мутации (FIG. 3a), наследуемые (т.е., врожденные) зародышевой линии мутации, вызывающие болезни (FIG. 3b) и приобретенные соматические клеточные мутации, которые в конечном итоге вносят вклад в туморогенез (FIG. 3c) оккупируют или затрагивают разные структурные элементы вдоль протеин киназного каталитического стержня.
В целом общие нейтральные мутации стремятся оккупировать C-терминальные регионы каталитического стержня, а субстрат-связывающие или каталитические остатки избегают их. C-терминальный регион, как полагают, играет базовую структурную роль; поэтому аминокислоты в этом регионе могут быть не столь важны для функции как в др. регионах каталитического стержня. Напротив, наследуемые зародышевой линии вызывающие болезни мутации, большинство из которых результат потери функции, и вызывают онтогенетические и/или метаболические нарушения, обнаруживают тенденцию формировать кластеры в регионах каталитического стержня, участвуя в регуляции и связывании субстрата, особенно остатков, которые участвуют в межбелковых и аллостерических взаимодействиях. Эти зародышевой линии болезненные мутации редко занимают регионы, участвующие в связывание или катализе АТФ. Возможным объяснением этого наблюдения является просто жизнеспособность организма: пертурбации в связывании или катализе АТФ могут действовать как мутации полной потери функции и вызывать эмбриональную летальность скорее, чем болезненные фенотипы87. Согласно TAbLE 2, нокауты многих протеин киназ ведут к эмбриональной или перинатальной летальности. Поэтому очевидно, что, по крайней мере, остаточная функция протеин киназ д. сохраняться, чтобы обеспечить жизнеспособность, хотя тяжелый биологических дефицит может иметь место. Эта потребность в остаточной функции может также объяснить болезненную плейотропию, наблюдаемую для многих протеин киназ (по крайней мере, в случаях, когда плейотропия не объясняется с помощью активации киназы в противовес мутациям потери функции): величина остаточной функции белка может объяснить тяжесть болезненного фенотипа protein function may explain the severity of the disease phenotype.
Напротив, благоприобретенные соматические мутации, которые вызывают или вносят вклад в раковые опухоли стремятся занять АТФ связывающие или каталитические остатки. Рак-вызывающие соматические мутации могут или активировать онкогены или деактивировать опухолевые супрессоры, как указывалось выше. Активирующие мутации увеличивают каталитическую активность протеин киназ и поэтому стремятся изменить остатки, участвующие в регуляции катализа. Напротив, деактивирующие мутации - по крайней мере в контексте рака - могут не нуждаться в резидуальной каталитической функции, как это имеет место в случае наследуемых зародышевой линии болезненных мутаций. Следовательно, прямая и полная инактивация каталитических функций может быть одним из характерных признаков рак-вызывающих приобретенных соматических мутаций. -causing acquired somatic mutations.
Inherited mutational hotspots. В дополнение к более общему дифференциальному паттерну киназных белковых структурных свойств, ассоциированных с наследуемыми и приобретенными соматическими мутациями, обнаруживаются горячие точки болезненных мутаций зародышевой линии и соматических раковых мутаций, наблюдаемых в протеин киназах87,88. При оценке частот, с которыми ассоциированные с болезнью мутации обнаруживаются в разных киназных структурных свойствах, могут быть выявлены взаимоотношения между специфическими киназными нарушениями и болезнями. Нами и др. были охарактеризованы специфические позиции в киназах, которые, по-видимому, дают прибежище мутациям нескольких болезней и раков88,89; большинство из этих мутаций, по-видимому, ведет к активации киназ (FIG. 3), и как таковые они могут быть использованы в качестве мишеней для будущих фармакоцептических вмешательств90. Многие из этих ассоциированных с болезнями киназных мутационных горячих точек были исследованы в статистических моделях онкогенеза91.
Наследуемые горячие точки болезненных мутаций стремятся оккупировать остатки каталитической сердцевины, которые специфичны для eukaryotic protein kinases (EPKs) и не обнаруживаются в eukaryotic-like kinases (ELKs), которые являются прокариотическими низко-молекулярными киназами, которые укладываются в ту же самую генеральную структуру, что и EPKs. Напр., третий glycine G-петли (G55), histidine мотива HxN (H100) и предполагаемые docking сайты для регуляторных молекул K92 и F108 (количество остатков соответствует остаткам protein kinase A (PKA)), которые покрывают αC-β4 регион, обладают, как было установлено, (G55, K92 и H100) или скорее (F108), чтобы участвовать в движениях C-спирали из неактивной в активную конформацию в EPKs (REF. 87) (FIG. 1). Напротив, C-спираль удерживается в постоянно активной конформации в ELKs92. Большинство остатков болезненных горячих точек участвует в сети боковых цепочек, формируемых с помощью APE мотива, W222 и R280, которые являются уникальными признаками EPKs93. Удаленно родственные ElKs у прокариот, которые фосфорилирують малые метаболиты, лишены этих остатков, подтверждая тем самым роль EPK-специфической сети в функции связывания субстрата и аллостерической регуляции. В соответствии с этим мнением, мутации APE glutamate в lysine в integrin-сцепленной киназе, могут редуцировать сродство к субстрату или напротив могут редуцировать сродство к ассоциированной киназе, которая ответственна за фосфорилирование субстрата95. Сходным образом мутации аргинина субдомена XII в дрожжевой PKA, как было показано, затрагивают связывание и высвобождение белковых субстратов96.
Более того, горячие точки наследуемых болезней, не стремятся использовать ультра консервативные остатки в EPKs и ELKs. Эти остатки, скорее всего, являются ключевыми киназными каталитическими активностями и это подтверждается предыдущими наблюдениями, что каталитическая активность иногда сохраняется при болезненных состояниях. Скорее киназные структурные горячие точки, ассоциированные в наследуемыми врожденными болезнями, подтверждают роль клон-специфических вариаций, которые лежат в основе определенных биологических функций при болезни. Эта клон-специфическая регуляция является вторичным уровнем регуляторной сложности, накладываемой поверх более древней каталитической кухни (machinery).
Acquired mutational hotspots. Приобретенные соматические рак-вызывающие киназные мутации также образуют кластеры в виде структурных горячих точек. Эти горячие точки включают остатки 'gatekeeper', остатки, котрые являются C-терминальными по отношению к DFG мотиву и остатки, соседствующие с нуклеотид связывающими карманами. Эти остатки являются ключевыми игроками в связывании АТФ, каталитической регуляции и, в некоторых случаях, and, в связывании ATФ-mimetic лекарств. Эти горячие точки обнаруживают тенденцию становиться киназа-активирующими мутациями, т.к. значительно более широкий диапазон мутаций может нарушать киназную активность путем дестабилизации структуры белка, тогда как усиление каталитической активности нуждается в более точной настройке регуляторного аппарата киназ.
В дополнение к паттернам специфических киназных остатков в каталитическом стержне, которые нарушаются при болезнь-вызывающих состояниях, существуют мутационные склонности, с использованием дополнительных доменов и специфических типов аминокислотных замен, что, по-видимому, отражает более тонкие молекулярные физиологические эффекты. Напр., вызывающие болезнь мутации в киназных акцессорных доменах, которые включают регуляторные домены, таких как nuclear localization signals и SH2-связывающий домены, обусловлены точковыми мутациями в аминокислотных последовательностях или в аберрациями сплайсинга в транскрипте, кодирующем киназу. В целом, наши наблюдения указывают на то, что переходы от arginine, cysteine, glycine, proline и serine , по-видимому, в большинстве случаев лежат в основе болезней, это указывает на дальнейший уровень сложности, с помощью которого киназные мутации вызывают патогенетические эффекты4,87. После группировки аминокислот в соответствии с их полярностью и зарядом боковых цепей, наиболее часто аминокислотные переходы происходят в не-полярных группах, что сопровождается переходами в полярные группы, в которых базовые полярные аминокислоты часто замещаются нейтрально-полярными аминокислотами. Др. превалирующие межгрупповые переходы, включая basic-polar к neutral-non-polar и neutral-polar к non-polar аминокислотам. Ранее предложенная модель для предсказаний болезнь-вызывающих аминокислотных переходов4 дала сходные результаты с нашим паттерном киназопатий, базирующимся на аминокислотных переходах.
В целом наши наблюдения также как и наблюдения др. показали, что мутации, затрагивающие аминокислоты со специфическими структурными функциями в белке - такие как солевые мостики для цистеинов, повороты пролина или структурная гибкость glycine - наиболее вероятно вызывают болезни to cause disease4,97.
Kinase genes and genome-wide association studies. Вдохновляющая новая фаза вовлечения генов киназ в болезни человека возникла недавно из genome-wide association (GWA) исследований, которые выявили ассоциацию сигналов SNPs на локусах, которые содержат гены, кодирующие киназы и родственные белки с многочисленными сходными и общераспространенными болезненными фенотипами. Эти ассоциации включают MAP2K5 и restless legs syndrome
98, glucokinase regulatory protein (GCKR) и как plasma triglycerides , так и type 2 диабеты
99, PXK-domain-containing serine- threonine киназа и systemic lupus erythematosis
100, как FGFR2, так и MAP3K1 и рак груди
101, FGFR2 и schizophrenia
102, choline kinase-β (CHKB) и narcolepsy
103, STK38 с hypertension
104, TyK2 и multiple sclerosis
105, и CDK inhibitor 2A (CDKN2A) и CDKN2B при болезни коронарных артерий
106 и типа 2 диабете
107. Дополнительные ассоциации будут несомненно обнаружены, т.к. GWA исследования расширяют возможность оценки большео количества фенотипов и более разнообразных выборок. Некоторые из ассоциаций помогут идентифицировать новые механизмы, лежащие в основе признаков болезней, которые в свою очередь помогут понять биологические основы и разработать новые вмешательства
.
Conclusions and future directions
Human mutations in members of the kinase gene family underlie a broad range of disease phenotypes. The tissue and organ specificity seen with specific kinase mutations can provide clues into organogenesis or system development in early embryogenesis and can suggest situations in which there is insufficient redundancy in expression or function among related proteins to rescue a detrimental phenotype. The identification of key mutational hotspots in amino acid and protein domains as well as the range of distinct phenotypes in a single kinase gene brings clinical insight into various germline disorders and cancers. Human kinase mutations and associated phenotypes can complement experiments from other model systems and can provide support for the physiological role of particular kinases. Additional mapping of disease genes and the characterization of the amino acids affected are required to fully understand kinase structure, function and their role in disease. GWA studies herald a new wave of discoveries by expanding the involvement of the germline genetic variation that affects kinases involved in diseases ranging from rare syndromes to cancer and other complex diseases that affect adults.
Сайт создан в системе
uCoz 
