Kinazy białkowe

1. Charakterystyka

1.1. Definicja klasy

Kinazy białkowe (ang. protein kinases) to enzymy należące do transferaz, które przenoszą resztę fosforanową na seryny, treoniny lub tyrozyny w białkach [1]. Dawcą fosforanu jest adenozynotrifosforan (ATP), czyli główny nośnik energii komórki, od którego kinaza odłącza końcową resztę fosforanową. Kryterium przynależności do klasy jest więc podwójne: rodzaj reakcji i jej przedmiot, czyli łańcuch aminokwasowy białka. U organizmów jądrowych przedstawicieli klasy łączy ponadto wspólna domena katalityczna, licząca około 250–300 aminokwasów i złożona z 12 zachowanych w ewolucji subdomen [1]. Zbiór wszystkich kinaz białkowych organizmu nazywa się kinomem. Katalog ludzkiego kinomu z 2002 roku objął 518 genów kinaz białkowych [2].

Nazwę kinazy nosi wiele enzymów, które białek nie modyfikują. Kinazy lipidowe przenoszą fosforan na lipidy błonowe, a kinazy metaboliczne, takie jak heksokinaza, na glukozę i inne małe cząsteczki [3]. Kryterium różnicującym jest substrat, a nie sama reakcja. Od kinazy białkowej odróżnia się też fosforylazę. Fosforylaza glikogenowa rozkłada glikogen i sama jest białkiem, które kinaza fosforyluje [4, 5]. Odwrotną reakcję, czyli odłączenie fosforanu od białka, katalizują fosfatazy białkowe [6]. Działają one w tych samych szlakach co kinazy i stanowią ich fizjologiczną przeciwwagę [6].

Pojęcie kinazy białkowej obejmuje także białka z domeną kinazową, które utraciły aktywność katalityczną. Takie pseudokinazy stanowią około 10% ludzkiego kinomu [7]. Przekazują one sygnał dzięki wiązaniu innych białek, na przykład tworząc pary z aktywnymi receptorami o aktywności kinazy tyrozynowej [7]. Klasa obejmuje zarówno enzymy rozpuszczone w cytoplazmie, jak i domeny kinazowe wbudowane w receptory błonowe [8].

Znaczenie kinaz wynika z zasięgu reakcji, którą katalizują. Fosforylacja jest jedną z najczęstszych modyfikacji białek po ich syntezie [9]. Metodami spektrometrii mas zidentyfikowano dotąd około 90 000 miejsc fosforylacji seryny i treoniny w białkach człowieka [9]. Kinazy regulują więc niemal każdy proces komórkowy, a zmiany ich ilości lub mutacje ich genów prowadzą do nowotworów i innych chorób [3].

1.2. Podział i kryteria klasyfikacji

Kinazy białkowe dzieli się według trzech niezależnych kryteriów. Każde z nich odpowiada na inne pytanie: co kinaza fosforyluje, gdzie działa i z jakimi enzymami jest spokrewniona.

Pierwszym kryterium jest rodzaj fosforylowanej reszty. Nadrodzina rozpada się na dwie główne części: kinazy serynowo-treoninowe i kinazy tyrozynowe [1]. Kinaz serynowo-treoninowych jest u człowieka ponad 300 [9]. Niewielką grupę stanowią kinazy o podwójnej specyficzności, zdolne do fosforylacji zarówno tyrozyny, jak i treoniny [10]. Rodzaj reszty decyduje o dalszym losie sygnału, ponieważ fosfotyrozynę i fosfoserynę odczytują w komórce inne białka wiążące [11].

Drugim kryterium jest położenie enzymu. Kinazy receptorowe są białkami błonowymi, w których domena wiążąca sygnał leży na zewnątrz komórki, a domena kinazowa w cytoplazmie [8]. Kinazy niereceptorowe działają wewnątrz komórki i odbierają sygnał od receptorów lub przekaźników wtórnych. Podział ten dotyczy głównie kinaz tyrozynowych, wśród których leki przeciwnowotworowe celują zarówno w formy receptorowe, jak i niereceptorowe [10].

Trzecim kryterium jest pokrewieństwo sekwencji domeny katalitycznej. Drzewo zbudowane na tej podstawie grupuje kinazy o podobnej specyficzności substratowej i podobnym sposobie regulacji [1]. W katalogu ludzkiego kinomu większość kinaz typowych przypisano do siedmiu głównych grup, a osobno opisano kinazy atypowe, których sekwencja odbiega od wzorca domeny [2].

Grupy kinomu noszą nazwy utworzone od należących do nich kinaz albo od wspólnej cechy.

Nazwa grupy mówi o pokrewieństwie sekwencji, a nie o funkcji fizjologicznej. Dlatego do jednej grupy trafiają kinazy uruchamiane zupełnie różnymi sygnałami, a kinaza tyrozynopodobna może fosforylować serynę [2].

1.3. Odróżnienie od klas sąsiednich

Kinazy białkowe sąsiadują z trzema klasami białek sygnałowych, z którymi łączy je rola w przekazywaniu sygnału, a różni reakcja lub substrat.

Pierwszą z nich są kinazy lipidowe. Kinaza fosfatydyloinozytolu 3 (PI3K) przenosi fosforan na lipid błony komórkowej, a nie na białko, i dlatego nie jest kinazą białkową [3]. Granica bywa jednak nieostra. Mechanistyczny cel rapamycyny (mTOR) należy do rodziny kinaz spokrewnionych z PI3K (PIKK), a mimo to fosforyluje białka [12]. O przynależności decyduje więc substrat, a nie podobieństwo sekwencji do kinaz lipidowych.

Drugą klasą są fosfatazy białkowe. Nadrodzina fosfataz tyrozynowych działa w skoordynowany sposób z kinazami tyrozynowymi, a ich wspólna aktywność ustala stopień fosforylacji białek sygnałowych [6]. Fosfataza jest więc równorzędnym regulatorem szlaku, a nie tylko elementem wygaszającym sygnał [6].

Trzecią klasą są białka wiążące guanozynotrifosforan (GTP), takie jak białka G i białko RAS. Hydrolizują one GTP i zmieniają dzięki temu własny kształt, ale nie przenoszą fosforanu na inne białka. Często stoją jednak bezpośrednio przed kinazami w tym samym szlaku. Kinazy RAF są na przykład regulowane przez związanie aktywnego białka RAS [13]. Od przekaźników wtórnych, takich jak cykliczny AMP, kinazy różnią się tym, że są enzymami, a nie małymi cząsteczkami sygnałowymi, które aktywują enzymy.

1.4. Rys historyczny

Badania nad kinazami białkowymi rozpoczęto od enzymu rozkładającego glikogen w mięśniu. W 1955 roku Fischer i Krebs opisali w wyciągach z mięśnia przemianę mniej aktywnej fosforylazy b w aktywną fosforylazę a [4]. Przemiana ta polegała na przyłączeniu fosforanu do samego enzymu [5]. W 1968 roku Walsh, Perkins i Krebs wyizolowali z mięśnia królika kinazę białkową zależną od cyklicznego AMP, czyli kinazę białkową A (PKA) [14]. Pokazali tym samym, przez jaki enzym przekaźnik wtórny zmienia aktywność innych białek [5]. Kolejne rozstrzygnięcie przyniosły lata 1979–1980. W 1979 roku zespół Eckharta i Huntera wykrył aktywność fosforylującą tyrozynę w białkach wytrąconych przeciwciałem przeciw antygenowi T wirusa polioma [58]. Rok później Hunter i Sefton wykazali, że tyrozynę fosforyluje białko pp60src wirusa mięsaka Rousa, i uznali je za nowy rodzaj kinazy białkowej [15]. Komórki przekształcone przez tego wirusa zawierały nawet ośmiokrotnie więcej fosfotyrozyny niż komórki niezakażone [15]. W 1991 roku zespół Knightona i Taylor opisał strukturę krystaliczną podjednostki katalitycznej PKA złożonej z dwóch płatów [16]. Za odkrycie odwracalnej fosforylacji białek jako mechanizmu regulacji Fischer i Krebs otrzymali w 1992 roku Nagrodę Nobla [5].

2. Cechy i mechanizm działania

2.1. Budowa

Domena kinazowa jest fragmentem łańcucha, który wszystkie kinazy typowe dzielą niezależnie od reszty swojej budowy. W strukturze podjednostki katalitycznej PKA tworzy ona dwa płaty rozdzielone głęboką szczeliną [16]. Mniejszy płat N-końcowy zbudowany jest głównie z kartki beta i wiąże nukleotyd [16]. Większy płat C-końcowy ma budowę helikalną, wiąże białko docelowe i przeprowadza katalizę [16]. Szczelinę wypełnia ATP związany z jonem magnezu oraz fragment peptydu naśladującego białko docelowe [16]. Większość niezmiennych aminokwasów rdzenia katalitycznego skupia się właśnie w miejscu wiązania nukleotydu i katalizy [16].

Płaty łączy krótki odcinek zwany zawiasem, z którym wiążą się wodorowo cząsteczki inhibitorów zajmujących kieszeń adeniny [17]. W płacie N leżą pętla bogata w glicynę, przykrywająca fosforany ATP, oraz lizyna utrzymująca je we właściwym położeniu [1]. W płacie C leżą pętla katalityczna z motywem HRD i motyw DFG, czyli sekwencja asparaginian–fenyloalanina–glicyna [1]. Asparaginian tego motywu wiąże jon magnezu, a jego położenie zależy od fosforylacji pobliskiej pętli aktywacyjnej [18]. W płacie N leży też helisa αC, której ustawienie odróżnia konformację aktywną od nieaktywnej [17].

Rdzeń kinazy utrzymują dwa ciągi aminokwasów hydrofobowych, nazywane kręgosłupami: katalitycznym i regulacyjnym [19]. Łączą one elementy ważne dla katalizy z centralną helisą F [19]. Kręgosłup regulacyjny składa się z czterech reszt hydrofobowych i układa się w ciągłą linię tylko w kinazach aktywnych [18]. Reszty kręgosłupa katalitycznego otaczają pierścień adeniny ATP, dlatego cząsteczki zajmujące kieszeń adeniny oddziałują z tymi resztami [17].

Elementy rdzenia różnią się położeniem i rolą w katalizie.

Wspólna architektura ma konsekwencję farmakologiczną: kieszeń ATP wygląda podobnie w setkach kinaz, dlatego lek zaprojektowany przeciw jednej z nich często wiąże także inne [20].

2.2. Mechanizm działania

Kinaza białkowa jest enzymem, który sam wymaga aktywacji. W stanie spoczynku jej pętla aktywacyjna jest nieuporządkowana, a kręgosłup regulacyjny przerwany, więc reszty katalityczne nie zajmują właściwych pozycji [18, 21].

Bodźcem aktywującym jest zwykle fosforylacja pętli aktywacyjnej, dokonana przez kinazę wyższego piętra albo przez samą kinazę [22]. Przyłączony fosforan ustawia asparaginian motywu DFG i domyka kręgosłup regulacyjny, co stabilizuje całą cząsteczkę w formie aktywnej [18]. U części kinaz bodźcem jest związanie białka regulatorowego lub przekaźnika wtórnego. W kinazie białkowej C diacyloglicerol uwalnia z miejsca aktywnego fragment autohamujący, zwany pseudosubstratem, który naśladuje białko docelowe [23]. W PKA podjednostki katalityczne pozostają nieczynne, dopóki łączą się z podjednostkami regulatorowymi [22].

Aktywna kinaza wiąże ATP w szczelinie między płatami, a białko docelowe na powierzchni płata C [16]. Następnie przenosi końcowy fosforan ATP na grupę hydroksylową seryny, treoniny lub tyrozyny. Uwolnione zostają adenozynodifosforan (ADP) i ufosforylowane białko. Przyłączony fosforan wnosi do białka dwa ładunki ujemne. Zmienia to jego kształt, aktywność, miejsce w komórce lub zdolność wiązania partnerów [11].

Kinaza musi przy tym odnaleźć właściwe miejsca. Typowa kinaza rozpoznaje od jednego do kilkuset miejsc wśród około 700 000 reszt, które w komórce mogłyby zostać ufosforylowane [24]. Wybór zależy od budowy miejsca aktywnego, od dodatkowych miejsc wiązania substratu i od białek rusztowania, które przybliżają kinazę do jej celów [24]. Analiza 303 kinaz serynowo-treoninowych pokazała, że o specyficzności w dużej mierze decyduje odrzucanie niepasujących sekwencji [9]. Białka rusztowania i kotwiczące umieszczają ponadto aktywne kinazy i fosfatazy w określonych przedziałach komórki [11].

Kinazy działają często w kaskadach, w których kinaza wyższego piętra aktywuje kinazę niższego, fosforylując jej pętlę aktywacyjną [25]. Fosforylacja pozostaje przy tym odwracalna, ponieważ fosfatazy usuwają przyłączone reszty [6]. Skalę tych zmian zmierzono metodami proteomiki. Po pobudzeniu komórek czynnikiem wzrostu naskórka co najmniej dwukrotnie zmieniło się 14% spośród 6600 zmierzonych miejsc fosforylacji [26]. Większość białek miała przy tym kilka miejsc o różnej kinetyce, co pozwala im łączyć kilka sygnałów naraz [26]. Wynikiem działania kinaz jest więc szybka i odwracalna zmiana stanu wielu białek jednocześnie.

2.3. Źródło zróżnicowania w obrębie klasy

Wspólny rdzeń katalityczny nie wyjaśnia, dlaczego różne kinazy reagują na różne sygnały. Tę różnorodność tworzą moduły dołączone do domeny kinazowej oraz białka, z którymi kinaza się łączy.

Pierwszym źródłem zróżnicowania są domeny regulatorowe. Domeny wiążące fosfotyrozynę, lipidy błonowe lub diacyloglicerol decydują, który sygnał przyciągnie kinazę i gdzie ją skieruje [11, 23]. Izoformy kinazy białkowej C różnią się na przykład tym, że klasyczne i nowe odpowiadają na diacyloglicerol, a atypowe na białka rusztowania [23].

Drugim źródłem są podjednostki regulatorowe. Kinazy zależne od cyklin potrzebują osobnej podjednostki, cykliny, która dostarcza domen niezbędnych do aktywności [27]. Podjednostki regulatorowe PKA utrzymują enzym w nieaktywnym holoenzymie [22]. Kinaza aktywowana przez adenozynomonofosforan (AMP) odczytuje natomiast stan energetyczny komórki, reagując na spadek zasobu ATP [28].

Trzecim źródłem jest lokalizacja. Białka rusztowania kotwiczą holoenzymy PKA w pobliżu określonych substratów, dzięki czemu komórka tworzy odrębne ogniska sygnalizacji cAMP [22]. Czwartym źródłem jest liczba genów i izoform. U ssaków kinazy zależne od cyklin tworzą trzy podrodziny związane z cyklem komórkowym i pięć związanych z transkrypcją [27]. Ten sam rdzeń katalityczny, połączony z różnymi modułami, pozwala więc każdej kinazie odczytywać inny sygnał i działać w innym miejscu komórki.

3. Główni przedstawiciele grupy

Kinazy o dobrze poznanym znaczeniu fizjologicznym i klinicznym należą do pięciu grup kinomu oraz do kinaz atypowych. Różnią się przede wszystkim sygnałem, który je uruchamia, i procesem, którym sterują [2].

Przynależność do grupy nie przesądza więc o aktywatorze. AMPK i CaMKII należą do tej samej grupy, a odczytują zupełnie inne sygnały.

3.1. Kinaza białkowa A

Kinaza białkowa A (PKA), czyli kinaza zależna od cyklicznego AMP (cAMP), należy do grupy AGC i fosforyluje serynę lub treoninę [2]. Cykliczny AMP jest przekaźnikiem wtórnym hormonów działających przez receptory metabotropowe, a PKA jest jednym z jego efektorów. W pracy opisującej PKA enzym ten aktywował kinazę fosforylazy z mięśnia szkieletowego, czyli enzym uruchamiający rozkład glikogenu [14]. W komórce PKA występuje jako holoenzym, w którym podjednostki katalityczne łączą się z regulatorowymi [22]. Białka kotwiczące rozmieszczają te holoenzymy przy określonych substratach, więc cAMP wywołuje w różnych częściach komórki różne skutki [22]. Podjednostka katalityczna PKA służy jako prototyp całej nadrodziny, a jej struktura stała się wzorcem opisu domeny kinazowej [16, 22]. Sposób, w jaki cAMP uwalnia podjednostki katalityczne, należy do fizjologii samego cAMP. PKA stanowi zatem ogniwo łączące hormon działający na błonę ze zmianą aktywności enzymów wewnątrz komórki.

3.2. Kinaza białkowa C

Kinaza białkowa C (PKC) to rodzina izoform z grupy AGC, których aktywność zależy od odwracalnego uwolnienia autohamującego pseudosubstratu [23]. W izoformach klasycznych i nowych pseudosubstrat uwalnia diacyloglicerol, lipidowy przekaźnik wtórny powstający w błonie komórkowej [23]. Izoformy klasyczne wymagają ponadto jonów wapnia [23]. Izoformy atypowe nie reagują na diacyloglicerol, a uruchamia je wiązanie białek rusztowania [23]. W latach 80. ubiegłego stulecia ustalono, że izoformy wrażliwe na diacyloglicerol są receptorami dla estrów forbolu, silnych promotorów nowotworów [23]. PKC przekłada zatem sygnał lipidowy na fosforylację białek, a sposób jej uruchomienia zależy od izoformy.

3.3. Kinazy zależne od kalmoduliny

Kinazy zależne od wapnia i kalmoduliny (CaMK) tworzą grupę kinomu CAMK [2]. Uruchamia je kompleks jonów wapnia z kalmoduliną, białkiem wiążącym wapń w cytoplazmie. Kinazy te przekładają więc wzrost stężenia wapnia na zmianę stanu fosforylacji białek docelowych. Członkiem rodziny jest CaMKII, czyli kinaza II zależna od wapnia i kalmoduliny. Podczas indukcji długotrwałego wzmocnienia synaptycznego wapń napływa do kolca dendrytycznego i aktywuje CaMKII [29]. Kinaza przemieszcza się wtedy do synapsy, wiąże się z receptorami NMDA i fosforyluje podjednostki receptorów AMPA [29]. Receptory NMDA i AMPA to dwa typy receptorów glutaminianu, z których pierwszy wpuszcza wapń, a drugi przewodzi szybki sygnał pobudzający. Mechanizm aktywacji CaMKII należy do opisu sygnalizacji wapniowej. Do grupy CAMK zalicza się też AMPK, choć jej głównym sygnałem nie jest wapń [2].

3.4. Kinaza AKT

AKT, zwana też kinazą białkową B (PKB), to kinaza serynowo-treoninowa z grupy AGC, obecna w niemal każdej komórce organizmu [30]. Aktywuje ją insulina i inne czynniki wzrostu przez kinazę fosfatydyloinozytolu 3, dlatego inhibitory PI3K znoszą jej aktywację [31]. Aktywna AKT fosforyluje kilka węzłów sygnałowych o wielu funkcjach, między innymi GSK3, czynniki transkrypcyjne FoxO i kompleks mTORC1 [30]. W ten sposób jedna kinaza przekazuje sygnał insuliny do syntezy glikogenu, do ekspresji genów i do wzrostu komórki. Fosforylacja GSK3 przez AKT hamuje tę kinazę i uwalnia syntazę glikogenu od jej działania [31]. Zaburzenia sieci AKT opisano w zespołach przerostu, nowotworach i chorobach neurologicznych [30]. AKT jest więc jednym z głównych przekaźników metabolicznych skutków insuliny wewnątrz komórki.

3.5. Kinaza AMPK

Kinaza aktywowana przez AMP (AMPK) to czujnik stanu energetycznego komórki należący do grupy CAMK [2, 28]. Uruchamia ją spadek zasobu energii, czyli wzrost udziału adenozynomonofosforanu i adenozynodifosforanu względem ATP [28]. Aktywna AMPK nasila procesy wytwarzające ATP i wyłącza szlaki biosyntezy, które go zużywają [28]. Działa także na poziomie całego organizmu. Pośredniczy w działaniu czynników pobudzających łaknienie w podwzgórzu i uczestniczy w synchronizacji dobowych rytmów metabolizmu [28]. W niektórych komórkach AMPK aktywuje również kinaza kinaz zależnych od wapnia i kalmoduliny β (CaMKKβ), co łączy ją z sygnalizacją wapniową [32]. Od innych kinaz CAMK AMPK różni się tym, że jej głównym sygnałem jest stosunek nukleotydów adeninowych, a nie wapń. Budowę jej trzech podjednostek i regulację przez nukleotydy opisuje osobne hasło AMPK.

3.6. mTOR

mTOR, czyli mechanistyczny cel rapamycyny, jest kinazą atypową z rodziny kinaz spokrewnionych z kinazą fosfatydyloinozytolu 3 (PIKK), która fosforyluje serynę i treoninę [12]. Działa jako podjednostka katalityczna dwóch kompleksów, mTORC1 i mTORC2, różniących się białkami towarzyszącymi [12]. mTOR uzgadnia wzrost i metabolizm komórki z dostępnością składników odżywczych i czynników wzrostu [12]. Steruje procesami od syntezy białek po autofagię, czyli trawienie własnych składników komórki [12]. Rapamycyna hamuje mTOR allosterycznie, bez zajmowania kieszeni ATP [12]. Kompleksy mTOR, ich aktywację na lizosomie i skutki hamowania opisuje osobne hasło mTOR.

3.7. Kinazy aktywowane przez mitogeny

Kinazy aktywowane przez mitogeny (MAPK) to rodzina kinaz serynowo-treoninowych z grupy CMGC, która u ssaków obejmuje kilkanaście enzymów [25]. Klasyczne MAPK tworzą cztery rodziny. Należą do nich kinazy regulowane sygnałem zewnątrzkomórkowym (ERK1 i ERK2) oraz kinazy N-końca białka c-Jun (JNK) [25]. Rodzinę uzupełniają kinazy p38 i ERK5 [25]. MAPK działają na końcu trzystopniowej kaskady, w której każda kinaza fosforyluje pętlę aktywacyjną następnej [25]. W szlaku odpowiadającym na sygnały wzrostowe kinazy wyższego piętra należą między innymi do rodziny RAF [13]. Same MAPK aktywują następnie kinazy aktywowane przez MAPK, fosforylując ich pętlę aktywacyjną [25]. Całość reguluje podział, różnicowanie, ruchliwość i przeżycie komórek [25]. Szlak MAPK/ERK wymaga osobnego opisu ze względu na jego rolę w nowotworach.

3.8. Kinazy zależne od cyklin

Kinazy zależne od cyklin (CDK) to kinazy serynowo-treoninowe z grupy CMGC, które do działania potrzebują osobnej podjednostki, cykliny [27]. Cyklina dostarcza domen niezbędnych do aktywności enzymu, a dostępność cyklin zmienia się w kolejnych fazach cyklu komórkowego [27]. U ssaków CDK tworzą trzy podrodziny związane z cyklem komórkowym i pięć podrodzin związanych z transkrypcją [27]. Podział ten jest umowny, bo wiele CDK łączy obie funkcje [27]. Rozregulowanie CDK jest cechą wielu nowotworów, a leki hamujące wybrane CDK dały zachęcające wyniki w badaniach klinicznych [27]. Odmienną rolę pełni CDK5, którą w neuronach uruchamia nie cyklina, lecz białko p35 [33]. CDK5 jest potrzebna do prawidłowego rozwoju ośrodkowego układu nerwowego [33]. Rodzina CDK łączy podział komórki z transkrypcją, a w mózgu uczestniczą także w rozwoju neuronów.

3.9. Kinaza syntazy glikogenu 3

Kinaza syntazy glikogenu 3 (GSK3) to kinaza serynowo-treoninowa z grupy CMGC, występująca w postaciach alfa i beta [2, 34]. Nazwę wzięła od syntazy glikogenu, enzymu, który magazynuje glukozę w postaci glikogenu. GSK3 jest aktywna w komórce spoczynkowej, a sygnały hormonalne ją wyłączają. Insulina i czynniki wzrostu hamują ją przez fosforylację seryny, którą przeprowadza AKT [31]. GSK3 uczestniczy w kontroli syntezy glikogenu i białek, w regulacji czynników transkrypcyjnych oraz w wyznaczaniu losu komórek w rozwoju zarodkowym [31]. GSK3 jest też punktem uchwytu litu, leku stosowanego w chorobie afektywnej dwubiegunowej [35]. Aktywność spoczynkowa GSK3 oznacza, że sygnał insulinowy działa tu przez wyłączenie kinazy, a nie przez jej włączenie.

3.10. Receptorowe kinazy tyrozynowe

Receptorowe kinazy tyrozynowe to białka błonowe, które w jednej cząsteczce łączą zewnątrzkomórkową domenę wiążącą ligand z wewnątrzkomórkową domeną kinazy tyrozynowej [8]. Należą do nich receptor insuliny i receptor naskórkowego czynnika wzrostu (EGFR), czyli białka pobudzającego podziały komórek nabłonka. U większości tych receptorów związanie liganda wywołuje dimeryzację, czyli połączenie dwóch łańcuchów receptora, a sposoby jej wywołania są bardzo zróżnicowane [8]. Zbliżone domeny kinazowe fosforylują się wtedy wzajemnie, co uruchamia wewnątrzkomórkowe szlaki sygnałowe [8]. Receptor insuliny należy do wyjątków, bo tworzy dimer już przed związaniem hormonu [8]. Ufosforylowane tyrozyny stają się miejscami wiązania białek przekaźnikowych [11]. Mutacje tych receptorów występują w nowotworach i innych chorobach [8]. Receptorowe kinazy tyrozynowe są też najczęstszym celem inhibitorów kinaz. Spośród 94 leków z tej grupy zatwierdzonych w Stanach Zjednoczonych celuje w nie 48 [10].

3.11. Kinazy janusowe

Kinazy janusowe (JAK) to niereceptorowe kinazy tyrozynowe z grupy TK, związane z wewnątrzkomórkową częścią receptorów cytokin [2, 36]. Receptory cytokin typu I i II nie mają własnej aktywności kinazowej, dlatego do przekazania sygnału potrzebują właśnie JAK [36]. Po związaniu cytokiny kinazy JAK fosforylują receptor i czynniki transkrypcyjne z rodziny STAT, które przenoszą sygnał do jądra komórkowego [36]. JAK są niezbędnymi przekaźnikami sygnału wielu cytokin prozapalnych [36]. Dlatego ich inhibitory stosuje się w reumatoidalnym zapaleniu stawów, łuszczycy i nieswoistych zapaleniach jelit [36]. Szlak JAK–STAT w odpowiedzi na interferony należy do opisu tych cytokin. W ten sposób JAK nadają aktywność enzymatyczną receptorom pozbawionym własnej domeny kinazowej.

3.12. Kinaza LRRK2

Kinaza 2 z powtórzeniami bogatymi w leucynę (LRRK2) to duże, wielodomenowe białko o masie około 280 kDa z grupy TKL [2, 37]. Występuje głównie w cytoplazmie, ale część jej cząsteczek wiąże się z zewnętrzną błoną mitochondriów [37]. W jej domenie kinazowej fenyloalaninę motywu DFG zastępuje tyrozyna, przez co motyw ma postać DYG [38]. Grupa hydroksylowa tej tyrozyny stabilizuje nieaktywną konformację enzymu, a zamiana tej tyrozyny na fenyloalaninę daje formę nadaktywną [38]. Bezpośrednim substratem LRRK2 jest białko Rab10, mała GTPaza uczestnicząca w transporcie pęcherzyków [39]. Nadmierna aktywność kinazy upośledza według hipotezy działanie lizosomów, czyli pęcherzyków trawiących zużyte składniki komórki [39]. LRRK2 łączy typowy dla kinaz przełącznik aktywności z nietypową sekwencją motywu DFG.

4. Znaczenie kliniczne

4.1. Udział kinaz białkowych w chorobach

Związek kinaz z chorobami widać już na mapie genomu. W katalogu kinomu 244 geny kinaz leżały w miejscach genomu powiązanych z chorobami lub w regionach powielanych w nowotworach [2].

W nowotworach kinazy mogą ulegać trwałej aktywacji. Białko fuzyjne BCR-ABL powstaje z połączenia dwóch genów i jest stale aktywną kinazą tyrozynową, która wywołuje przewlekłą białaczkę szpikową [40]. W pracy z 2002 roku somatyczne mutacje zmiany sensu w genie BRAF wykryto w 66% badanych czerniaków złośliwych [13]. Wszystkie leżały w domenie kinazowej, a jedna zamiana, dziś oznaczana jako V600E, stanowiła 80% z nich [13]. Zmutowane białko BRAF miało podwyższoną aktywność kinazy i przekształcało komórki w hodowli [13]. W raku płuca mutacje domeny kinazowej EGFR wykryto u 8 z 9 chorych odpowiadających na gefitynib i u żadnego z 7 chorych bez odpowiedzi [41]. Mutacje skupiały się wokół kieszeni wiążącej ATP i zwiększały aktywność receptora [41].

W chorobach neurodegeneracyjnych kinazy nadmiernie fosforylują białka strukturalne neuronu. Białko tau wiąże mikrotubule, a w chorobie Alzheimera i innych taupatiach występuje w stanie podwyższonej fosforylacji [42]. GSK3 fosforyluje tau in vitro w sposób przypominający tau ze splątków neurofibrylarnych [34]. W mózgach chorych z chorobą Alzheimera gromadzi się p25, skrócona forma aktywatora CDK5 [33]. Związanie p25 trwale aktywuje CDK5, która nadmiernie fosforyluje tau i osłabia jego wiązanie z mikrotubulami [33]. W hodowli neuronów kompleks p25–CDK5 wywoływał rozpad cytoszkieletu i apoptozę [33]. Warianty PKC o zwiększonej aktywności wiążą się także z chorobą Alzheimera [23]. W chorobie Parkinsona mutacje genu LRRK2 są najczęstszym znanym genetycznym czynnikiem ryzyka [39]. Mutacje G2019S i R1441C zwiększały in vitro autofosforylację LRRK2 i fosforylację substratu, co wskazuje na nabycie funkcji [37].

W zaburzeniach metabolicznych kinazy pośredniczą między nagromadzeniem lipidów a osłabieniem działania insuliny. Przegląd Samuela i Shulmana wskazuje odkładanie diacylogliceroli i ceramidów w wątrobie i mięśniu szkieletowym jako wspólny etap prowadzący do insulinooporności [43]. U myszy na diecie wysokotłuszczowej diacyloglicerol gromadził się w błonach hepatocytów, aktywował izoformę PKCε i wywoływał wątrobową insulinooporność [44]. Zaburzenia sieci AKT opisano także w insulinooporności i cukrzycy typu 2 [30].

W chorobach zapalnych kinazy przekazują do jądra komórkowego sygnały cytokin i receptorów odporności. Kompleks kinazy IκB (IKK), złożony z kinaz IKKα i IKKβ oraz podjednostki regulatorowej NEMO, jest centralnym elementem kaskady czynnika NF-κB [45]. Czynnik ten uruchamia geny stanu zapalnego [45]. W chorobach nowotworowych, zapalnych i neurodegeneracyjnych kinaza bywa więc ogniwem, którego nadmierna aktywność utrwala patologiczny sygnał.

4.2. Punkty uchwytu leków i substancji

Kinazy białkowe stały się w XXI wieku jedną z najważniejszych grup celów leków [10]. Rozwój tej grupy leków liczy się od zatwierdzenia w 2001 roku imatynibu, inhibitora kinazy BCR-ABL [3]. W badaniu fazy 1 u 83 chorych z przewlekłą białaczką szpikową po niepowodzeniu leczenia interferonem pełną odpowiedź hematologiczną uzyskało 53 z 54 chorych z grup otrzymujących wyższe dawki [40]. Od tego czasu do 2021 roku zatwierdzono ponad 70 kolejnych leków hamujących kinazy białkowe i lipidowe [3]. W zestawieniu z 2026 roku amerykańska Agencja Żywności i Leków (FDA), rejestrująca leki w Stanach Zjednoczonych, miała zatwierdzone 94 drobnocząsteczkowe inhibitory kinaz białkowych [10]. Około 80 z nich stosuje się w nowotworach, a pozostałe w chorobach zapalnych i innych [10].

Inhibitory klasyfikuje się według miejsca wiązania w kinazie [17]. Typ I wiąże formę aktywną, w której asparaginian motywu DFG i helisa αC są skierowane do wnętrza [17]. Typ II wiąże formę nieaktywną z motywem DFG wysuniętym na zewnątrz [17]. Typ III wiąże się obok kieszeni ATP, a typ IV z dala od miejsc wiązania ATP i substratu, więc oba działają allosterycznie [17]. Typ VI tworzy z enzymem wiązanie kowalencyjne [17]. W badaniu 72 inhibitorów wobec 442 kinaz inhibitory typu II były jako grupa bardziej wybiórcze niż inhibitory typu I, choć z ważnymi wyjątkami [20]. Inhibitory kowalencyjne przyłączają się do reszty cysteiny w białku kinazy, tworząc wiązanie tioeterowe [46]. W przeglądzie z 2025 roku wiązanie takie tworzyło 11 z 88 zatwierdzonych wówczas leków, w tym ibrutynib hamujący kinazę tyrozynową Brutona i ozymertynib hamujący EGFR [46].

Inhibitor kinazy działa, gdy nowotwór pozostaje zależny od sygnału zmienionej kinazy [47]. W badaniu z randomizacją u 675 chorych z przerzutowym czerniakiem z mutacją BRAF V600E wemurafenib podniósł odsetek przeżyć po 6 miesiącach do 84% wobec 64% przy dakarbazynie [48]. W analizie pośredniej względne ryzyko zgonu zmniejszyło się o 63% [48]. Do częstych działań niepożądanych należały bóle stawów, wysypka, nadwrażliwość na światło oraz rogowiak kolczystokomórkowy lub rak kolczystokomórkowy skóry [48].

Guzy uzyskują jednak oporność na inhibitory kinaz. U 6 z 9 chorych, u których imatynib przestał działać, oporność wynikała z zamiany jednej treoniny w domenie kinazowej ABL, tworzącej wiązanie wodorowe z lekiem [47]. U 3 chorych przyczyną było powielenie genu BCR-ABL [47]. W obu sytuacjach sygnał kinazy BCR-ABL powracał mimo leczenia [47].

Inhibitory JAK działają w chorobach zapalnych, ale mają własny profil ryzyka. W badaniu z randomizacją u chorych z reumatoidalnym zapaleniem stawów w wieku co najmniej 50 lat z dodatkowym czynnikiem ryzyka sercowo-naczyniowego porównano tofacytynib z inhibitorem czynnika martwicy nowotworów [49]. W ciągu mediany 4 lat poważne zdarzenia sercowo-naczyniowe wystąpiły u 3,4% chorych leczonych tofacytynibem wobec 2,5% w grupie porównawczej [49]. Nowotwory rozpoznano u 4,2% wobec 2,9% chorych, więc nie potwierdzono założenia, że tofacytynib nie jest pod tym względem gorszy [49].

Kinazy stają się także celem leczenia chorób neurodegeneracyjnych. Inhibitor LRRK2 o nazwie DNL201 hamował aktywność kinazy u 122 zdrowych ochotników i 28 chorych z chorobą Parkinsona i był dobrze tolerowany [39]. Przenikał też do płynu mózgowo-rdzeniowego [39]. Badania fazy 1 oceniały jednak bezpieczeństwo i działanie na szlak, a nie skuteczność kliniczną [39].

4.3. Wsparcie suplementacyjne

Kilka substancji dostępnych w postaci suplementów zmienia aktywność wybranych kinaz białkowych w badaniach laboratoryjnych. Lit hamuje GSK3β ze stałą hamowania około 2 mmol/l [35]. Berberyna hamuje kompleks I łańcucha oddechowego w mitochondriach, co w komórkach mięśniowych i u gryzoni podnosi aktywność AMPK [50, 51]. Resweratrol hamuje fosfodiesterazy rozkładające cAMP i tą drogą, przez wzrost wapnia i kinazę CaMKKβ, aktywuje AMPK u myszy [32]. Kwercetyna, kurkumina i galusan epigallokatechiny (EGCG), polifenol zielonej herbaty, hamują natomiast kinazy bezpośrednio, w stężeniach stosowanych w probówce [52–54].

Wszystkie sześć opisanych substancji uwzględnia dane z hodowli komórkowych, oczyszczonych enzymów lub zwierząt, a nie na pomiarach aktywności kinaz w tkankach człowieka. Stężenia działające w probówce są często wyższe niż stężenia osiągane w osoczu człowieka [55, 56]. Dawkowanie i interakcje tych substancji opisują karty działu Suplementy.

5. Na co warto zwrócić uwagę

Kinazy białkowe bywają przedstawiane jako enzymy, których zahamowanie zawsze chroni przed nowotworem. Przykład kinazy białkowej C pokazuje, że tak nie jest. Po odkryciu, że PKC wiąże estry forbolu, przez trzy dekady prowadzono badania kliniczne jej inhibitorów w nowotworach [23]. Badania te zakończyły się niepowodzeniem, a w części z nich wyniki chorych się pogorszyły [23]. Mutacje i poziomy białka w nowotworach wskazują, że izoformy PKC działają zwykle jak supresory, a autorka przeglądu postuluje przywracanie, a nie hamowanie ich aktywności [23]. O skutku hamowania decyduje zatem konkretna kinaza i tkanka, a nie przynależność do klasy.

Nazwa „inhibitor kinazy X” nie oznacza leku działającego wyłącznie na kinazę X. W panelu 28 związków stosowanych w laboratoriach jako wybiórcze inhibitory kinaz tylko rapamycyna i jeden inhibitor kaskady MAPK nie hamowały żadnej dodatkowej kinazy [52]. Analiza 243 leków kinazowych metodą proteomiki chemicznej ujawniła nieznane wcześniej cele dla leków już stosowanych [57]. Nieznane wcześniej cele mogą odpowiadać za część działań leku. Pozwoliły też zaproponować w badaniach przedklinicznych nowe zastosowanie kabozantynibu w ostrej białaczce szpikowej z mutacją genu FLT3 [57].

Polifenole roślinne opisuje się czasem jako naturalne inhibitory kinaz, które działają podobnie do leków. Dane nie potwierdzają tej analogii. Kurkumina hamowała kinazę fosforylazy w 98% dopiero w stężeniu około 0,1 mmol/l [53]. Tymczasem w organizmie człowieka kurkumina słabo się wchłania, szybko ulega przemianom i szybko jest wydalana [56]. W przeglądzie 97 badań u dorosłych stężenia metabolitów polifenoli w osoczu, przeliczone na jednakową, umiarkowaną podaż, mieściły się w zakresie 0–4 µmol/l [55]. Metabolity krążące we krwi różnią się przy tym od związków badanych w probówce [55]. Galusanowane katechiny herbaty, do których zalicza się galusan epigallokatechiny (EGCG), należą do najsłabiej wchłanianych polifenoli [55]. Wynik uzyskany na oczyszczonym enzymie nie wskazuje więc, że ta sama substancja zmienia aktywność kinazy w mózgu czy wątrobie.

W onkologii bada się obecność mutacji w genach konkretnych kinaz w tkance guza. Wynik takiego badania wskazuje przedstawiciela klasy, a nie klasę, i ma znaczenie przy doborze leku, co pokazały mutacje EGFR u chorych reagujących na gefitynib [41]. Fosfoproteomika, czyli pomiar tysięcy miejsc fosforylacji naraz metodą spektrometrii mas, pozostaje narzędziem badawczym [26]. Dla większości zidentyfikowanych miejsc fosforylacji nie wiadomo nawet, która kinaza je modyfikuje [9]. Leki działające na kinazy mają istotne działania niepożądane [48, 49], a decyzja o ich stosowaniu należy do lekarza prowadzącego leczenie.

Najważniejsze ustalenia

• Kinaza białkowa musi odnaleźć od jednego do kilkuset właściwych miejsc fosforylacji w tle około 700 000 reszt aminokwasowych, które teoretycznie mogłaby zmodyfikować [24].
• Fosforylację tyrozyny przez kinazy białkowe odkryto dopiero w latach 1979–1980, badając białka wirusów nowotworowych, a pierwszą rozpoznaną kinazą tyrozynową było białko pp60src wirusa mięsaka Rousa [15, 58].
• Około 10% ludzkich kinaz białkowych to pseudokinazy bez aktywności katalitycznej, które mimo to przekazują sygnał, wiążąc się z aktywnymi kinazami [7].
• Kinaza syntazy glikogenu 3 jest aktywna w komórce spoczynkowej, a sygnał insuliny nie włącza jej, lecz wyłącza przez fosforylację seryny wykonaną przez kinazę białkową AKT [31].
• Kinaza białkowa BRAF była zmutowana w 66% badanych czerniaków złośliwych, a jedna zamiana aminokwasu w jej domenie kinazowej, dziś oznaczana jako V600E, odpowiadała za 80% tych mutacji [13].
• Do utraty działania imatynibu wystarczała zamiana jednej treoniny w kinazie białkowej BCR-ABL, stwierdzona u 6 z 9 badanych chorych z opornością na ten lek [47].
• Kinazy białkowe zmieniają stan wielu białek naraz: po pobudzeniu komórek czynnikiem wzrostu naskórka co najmniej dwukrotnie zmieniło się 14% z 6600 zmierzonych miejsc fosforylacji [26].
• Kinazy białkowe są celem 94 drobnocząsteczkowych leków zatwierdzonych w Stanach Zjednoczonych, z których około 80 stosuje się w leczeniu nowotworów [10].