Science | 冷冻电镜揭开CDK激活之谜

前言

细胞的生长和分裂需要严格调控，否则可能导致肿瘤。在人体中，有一类名为CDKs（细胞周期蛋白依赖性激酶）的蛋白质，它们是细胞周期的"指挥官"，负责调控细胞的生长和分裂。CDKs需要被激活才能工作，而这种激活主要是通过其T-loop区域特定的苏氨酸残基被磷酸化实现的。

负责激活CDKs的是一种叫做CAK（CDK激活激酶）的蛋白质复合物，然而，科学家们一直不清楚CAK是如何识别其众多的CDK底物，并对其进行磷酸化激活的。尤其特别的是，生化证据表明这种识别不依赖于T-loop区域特定的苏氨酸残基磷酸化。

了解这一识别及激活机制对于理解细胞周期调控和开发新的癌症治疗药物具有重要意义。

近日，英国癌症研究院BASIL J. GREBER等人通过解析CDKs与其激活激酶（CAK）复合物的三维结构，揭示了一种不依赖于CDK上保守T-loop结构域的、前所未有的激活机制。该研究以"Structural basis of T-loop-independent recognition and activation of CDKs by the CDK-activating kinase"为题发表在《Science》上。

研究内容

全新的、伪对称的"激酶-激酶"相互作用界面

冷冻电镜结构显示CAK与CDK2之间存在一个伪对称的头对头激酶-激酶界面，主要由两个激酶的N端和C端结构域的两个主要相互作用簇组成。这种界面的伪对称性解释了为何CDK7和CDK2可以相互磷酸化。

关键的是，CDK2的T-loop未参与上述结合界面。这从结构上直接证实了CAK对CDK的识别是T-loop非依赖性的。

图1. CAK-CDK2-cyclin A2 及 CAK-CDK2 复合物的冷冻电镜结构

界面功能重要性验证

通过突变CDK7 或CDK2 的界面关键残基（如 CDK7 L219R、CDK2 I209R），发现破坏任一相互作用簇都会完全阻断或显著降低 CAK 对 CDK2 的磷酸化活性，证实了该结合界面对激活功能的必要性。

图2. 激酶-激酶界面分析

该识别机制的普适性

通过对其他已知CAK底物（如CDK1-周期蛋白B1和CDK11）的结构解析，研究人员发现这些复合物的激酶-激酶界面与CAK-CDK2复合物基本一致，表明本研究揭示的结构代表了CAK识别和激活其CDK底物的通用架构。

图3. CAK-CDK识别的一般机制

CDK7 的RxL基序辅助cyclin 结合

研究还意外发现，CDK7 的C端存在一段符合 "RxL 基序"（cyclin 结合共识序列）的肽段（PKKLIF），可与 CDK 结合的 cyclin（如 cyclin A2、cyclin B1）的疏水口袋结合。这种相互作用可能协助招募某些更倾向于以二聚体形式被磷酸化的CDK-Cyclin复合物（如CDK1-Cyclin B），或者当CDK7自身作为CDK1/2的底物时，用于招募CDK7。

图4. CDK7 C-末端RxL基序与细胞周期蛋白的相互作用

单体CDK2的T-loop更灵活

在CAK-CDK2复合物中，CDK2的T-loop表现出较高的灵活性，这可能有助于T环的磷酸化位点Thr160进入CAK的活性位点。而在CAK-CDK2-周期蛋白A2复合物中，T环的灵活性降低，这可能是由于T环与周期蛋白A2形成了额外的相互作用，限制了T环进入CAK活性位点的能力。

图5. CAK-CDK2复合物中CDK2的T-loop动态性增强

总结和展望

本研究成功揭示了CAK以一种不依赖于T-loop的通用机制识别并激活CDKs，颠覆了我们对这一核心细胞周期调控过程的传统认知。这不仅解答了该领域长期存在的关键科学问题，也为基于结构的药物研发提供了全新视角。

值得强调的是，这项突破性发现的核心驱动力来自于冷冻电镜技术。 正是凭借冷冻电镜的高分辨率成像能力，研究人员才能首次"直接看到"CAK与CDK之间独特的伪对称结合界面，将以往基于生化实验的推测转化为清晰的二维结构和三维模型。

随着冷冻电镜等技术的持续进步，我们将有能力揭示更多生命过程中的分子奥秘，不断深化对生命本质的理解，并为人类疾病治疗带来新的希望。