Cyclin-dependent kinase 1 also known as CDK1 or cell division cycle protein 2 homolog is a highly conserved protein that functions as a serine/threonine protein kinase, and is a key player in cell cycle regulation. It has been highly studied in the budding yeast S. cerevisiae, and the fission yeast S. pombe, where it is encoded by genes cdc28 and cdc2, respectively. With its cyclin partners, Cdk1 forms complexes that phosphorylate a variety of target substrates (over 75 have been identified in budding yeast); phosphorylation of these proteins leads to cell cycle progression.

Structure 

Cdk1 is a small protein (approximately 34 kilodaltons), and is highly conserved.  The human homolog of Cdk1, CDK1, shares approximately 63% amino-acid identity with its yeast homolog. Furthermore, human CDK1 is capable of rescuing fission yeast carrying a cdc2 mutation.  Cdk1 is comprised mostly by the bare protein kinase motif, which other protein kinases share.  Cdk1, like other kinases, contains a cleft in which ATP fits.  Substrates of Cdk1 bind near the mouth of the cleft, and Cdk1 residues catalyze the covalent bonding of the γ-phosphate to the oxygen of the hydroxyl serine/threonine of the substrate.

In addition to this catalytic core, Cdk1, like other cyclin-dependent kinases, contains a T-loop, which, in the absence of an interacting cyclin, prevents substrate binding to the Cdk1 active site.  Cdk1 also contains a PSTAIRE helix, which, upon cyclin binding, moves and rearranges the active site, facilitating Cdk1 kinase activities.

Function 

When bound to its cyclin partners, Cdk1 phosphorylation leads to cell cycle progression.  Cdk1 activity is best understood in S. cerevisiae, so Cdk1 S. cerevisiae activity is described here.

In the budding yeast, initial cell cycle entry is controlled by two regulatory complexes, SBF (SCB-binding factor) and MBF (MCB-binding factor).  These two complexes control G1/S gene transcription; however, they are normally inactive.  SBF is inhibited by the protein Whi5; however, when phosphorylated by Cln3-Cdk1, Whi5 is ejected from the nucleus, allowing for transcription of the G1/S regulon, which includes the G1/S cyclins Cln1,2. G1/S cyclin-Cdk1 activity leads to preparation for S phase entry (e.g., duplication of centromeres or the spindle pole body), and a rise in the S cyclins (Clb5,6 in S. cerevisiae).  Clb5,6-Cdk1 complexes directly lead to replication origin initiation; however, they are inhibited by Sic1, preventing premature S phase initiation.

Cln1,2 and/or Clb5,6-Cdk1 complex activity leads to a sudden drop in Sic1 levels, allowing for coherent S phase entry.  Finally, phosphorylation by M cyclins (e.g., Clb1, 2, 3 and 4) in complex with Cdk1 leads to spindle assembly and sister chromatid alignment.  Cdk1 phosphorylation also leads to the activation of the ubiquitin-protein ligase APCCdc20, an activation which allows for chromatid segregation and, furthermore, degradation of M-phase cyclins.  This destruction of M cyclins leads to the final events of mitosis (e.g., spindle disassembly, mitotic exit).

Regulation 
Given its essential role in cell cycle progression, Cdk1 is highly regulated.  Most obviously, Cdk1 is regulated by its binding with its cyclin partners.  Cyclin binding alters access to the active site of Cdk1, allowing for Cdk1 activity; furthermore, cyclins impart specificity to Cdk1 activity.  At least some cyclins contain a hydrophobic patch which may directly interact with substrates, conferring target specificity.  Furthermore, cyclins can target Cdk1 to particular subcellular locations.

In addition to regulation by cyclins, Cdk1 is regulated by phosphorylation.  A conserved tyrosine (Tyr15 in humans) leads to inhibition of Cdk1; this phosphorylation is thought to alter ATP orientation, preventing efficient kinase activity.  In S. pombe, for example, incomplete DNA synthesis may lead to stabilization of this phosphorylation, preventing mitotic progression.  Wee1, conserved among all eukaryotes phosphorylates Tyr15, whereas members of the Cdc25 family are phosphatases, counteracting this activity.  The balance between the two is thought to help govern cell cycle progression. Wee1 is controlled upstream by Cdr1, Cdr2, and Pom1.

Cdk1-cyclin complexes are also governed by direct binding of Cdk inhibitor proteins (CKIs).  One such protein, already discussed, is Sic1.  Sic1 is a stoichiometric inhibitor that binds directly to Clb5,6-Cdk1 complexes.  Multisite phosphorylation, by Cdk1-Cln1/2, of Sic1 is thought to time Sic1 ubiquitination and destruction, and by extension, the timing of S-phase entry.  Only until Sic1 inhibition is overcome can Clb5,6 activity occur and S phase initiation may begin.

Interactions 
Cdk1 has been shown to interact with:

 BCL2,
 CCNB1,
 CCNE1,
 CDKN3
 DAB2,
 FANCC,
 GADD45A,
LATS1,
 LYN,
 P53, and
 UBC.

See also 

 E2F#E2F.2FpRb complexes
 Hyperphosphorylation
 cdc25
 Maturation promoting factor
 CDK
 cyclin A
 cyclin B
 cyclin D
 cyclin E
 Wee (cell cycle)

Mastl

References

Further reading

External links 
 

Cell cycle
Proteins
EC 2.7.11
Cell cycle regulators

de:Cyclin-abhängige Kinase 1#Die Entdeckung des cdc2-Gens
사이클린 의존성 인산화효소 1(, Cdk1)은 고도로 보존된 세린/트레오닌 단백질 인산화효소로 기능하고 세포 주기 조절에 있어 주요 인자이다. 세포 분열 주기 단백질 2 동족체 (, Cdc 2 homolog)라고도 불린다. 출아효모균 Saccharomyces cerevisiae, 분열효모균 Schizosaccharomyces pombe에서 주로 연구되었으며, 각각 cdc28과 cdc2로 유전자에 암호화되어있다. 인간에서 Cdk1은 CDC2 유전자에 암호화되어있다. Cdk1은 사이클린과 복합체를 형성해 저마다 표적 기질을 인산화해, 세포주기를 진행시킨다.

구조 

Cdk1은 약 34 kDa의 작은 단백질로, 고도로 보존되어있다. 사람에서 Cdk1의 동족체와 효모에서의 동족체는 약 63% 아미노산 배열이 동일하다. 게다가, cdc2유전자에 돌연변이가 발생한 효모는 인간 동족체로 돌연변이 표현형으로부터 회복 할 수 있다. Cdk1은 다른 단백질 인산화효소에도 공통적으로 존재하고 단백질 인산화효소 모티프로 대부분 이루어져있다. 다른 인산화효소와 유사하게 Cdk1에는 ATP가 결합할 수 있는 갈라진 홈이 존재한다. 기질은 홈의 입구 부근에서 결합하고 Cdk1은 ATP의 γ-인산과 기질 세린/트레오닌 잔기의 하이드록시기 사이에 공유결합 형성을 촉매한다.

촉매 코어에 더해 Cdk1은 다른 사이클린 의존성 인산화효소와 유사한 활성화 루프 (T 루프)를 가진다. 사이클린과 상호작용하지 않았을 때, T 루프는 Cdk1 활성부위에 기질이 결합는 것을 억제한다. 또한 Cdk1은 PSTAIRE 헬릭스 (C 헬릭스)를 억제한다. 이 헬릭스는 사이클린의 결합에 함께 움직여 활성부위의 재배치하고, Cdk1의 인산화효소 활성을 촉진한다. 이런 기본적 기작은 Cdk2 같은 다른 Cdk와 같지만 구체적인 상호작용양식은 Cdk마다 다르다.

기능 
사이클린과 결합한 Cdk1에 있어 인산화는 세포주기 진행을 야기한다. Cdk1의 활성은 출아효모균 S. cerevisiae에서 가장 잘 이해가 가기 때문에 여기서는 S. cerevisiae의 Cdk1 (Cdc28)의 활성에 대해 기술한다.

출아효모균에 있어 세포주기 진행의 시작은 SBF (SCB-binding factor)와 MBF (MCB-binding factor), 두 가지 조절복합체에 의해 제어된다. 이 같은 2 가지 복합체는 G1/S 기 유전자 전사를 개시하지만, 통상적으론 비활성상태로 있다. SBF는 Whi5에 의해 저해되고있지만, Cln3-Cdk1 (척추동물에선 사이클린 D)에 의해 인산화하여 Whi5는 핵으로부터 반출되고 G1/S 레귤론의 전사가 진행된다. 이 레귤론에 G1/S기의 사이클린 Cln1, 2 (척추동물에선 사이클린 E)가 포함된다. G1/S 기 사이클린-Cdk1 복합체에 의해 S기로 진행하기 위해 준비 (중십체의 복제 등)가 행해지며, S기 사이클린 (Clb5, 6, 척추동물에선 사이클린 A)의 수준이 증가한다. S기 사이클린-Cdk1 복합체는 직접적인 복제원점의 초기화가 행해지지만, 이른 S기의 개시는 Sic1에 의해 억제된다.

또한 G1/S기 사이클린 혹은 S기 사이클린-Cdk1 복합체의 활성화에 의해 Sic1의 수준은 급격하게 줄어들고, S기로의 진행을 행한다. 그 후 M기 사이클린 (Clb1, 2, 3, 4 등, 척추동물에선 사이클린 B)과 Cdk1의 복합체에 의해 인산화가 방추체 조립이나 자매염색분체 분리가 일어난다. 또한, Cdk1에 있어 인산화는 유비퀴틴 합성 효소로 인해 APCCdc20도 활성화해, 염색분체의 분리나 더 나아가 M기 사이클린 분해를 활성화시킨다. 이 M기 사이클린 파괴로 인해 유사분열 최종단계 (방추체의 해체 등)가 일어난다.

조절 
Cdk1은 사이클린 결합으로 인해 조절된다. 사이클린 결합으로 인해 Cdk1 활성부위로의 접근이 변화하고 Cdk1 인산화효소 활성이 가능해진다. 또한 사이클린은 Cdk1 활성에 특이성을 부여한다. 적어도 일부의 사이클린에는 기질과 직접상호작용할 수 있는 소수성 패치가 존재해 그로인해 표적특이성을 띄게 된다. 사이클린은 특정한 세포 내 부위에 있는 Cdk1의 표적화를 진행시킨다.

Cdk1은 사이클린으로 인한 조절에 더불어 인산화에 의해서도 조절된다. 보존된 티로신 잔기 (인간에선 Try15)의 인산화는 Cdk1을 저해한다. 이 인산화로 인해 ATP의 결합 배열이 변화해 효율적인 인산화효소 활성이 저해되는 것으로 생각된다. 분열효모균 S. pombe에선, DNA 합성이 완료되지 않았을 때, 이 인산화가 안정화시켜 유사분열의 진행을 막는다. 모든 진핵생물에서 보존된 Wee1이 Tyr15의 인화를 일으키고 Cdc25 패밀리 구성요소의 단백질 인산가수분해효소가 이 활성에 길항한다. 이러한 인자 간의 균형으로 세포주기의 진행이 제어되는 것으로 예상된다. 거기에 더해 Wee1은 Cdr1, Cdr2, Pom1 같은 인자에 의해 제어된다.

Cdk-사이클린 복합체는 Cdk 저해 인자의 직접적인 결합에 의해 제어된다. 이런 단백질 중 하나가 위에서 말한 Sic1이다. Sci은 S기 사이클린 Clb5,6-Cdk1 결합체에 직접결합해 저해하는 인자인다. G1/S기 사이클린 Cln1,2-Cdk1에 의해 Sic1 복수 개소의 인산화는 Sic1의 유비퀴틴화와 분해 시기, 즉 S기로의 진행 시기를 결정한다고 생각된다. Sic1에 의한 저해가 극복되어야지만 Clb5,6이 활성화하고 S기가 개시된다.

상호작용 
Cdk1은 이하의 인자들과 상호작용하는 것으로 나타난다.
 BCL2
 CCNB1
 CCEN1
 CDKN3
 DAB2
 FANCC
 GADD454A
 LATS1
 LYN
 P53
 유비퀴틴C

각주 

단백질