Kalcineurin je Ca2+ i kalmodulin-ovisna serin/treonin protein fosfataza te se aktivira prilikom povećane koncentracije kalcija unutar stanice.[1] Protein je prvotno otkriven 1970-ih godina 20. stoljeća u istraživanjima znanstvenika Desaija i Wanga, a prva purificirana frakcija kalcineurina pripisuje se znanstvenicima Wattersonu i Vanamanu koristeći afinitetnu kromatografiju i uzorak goveđeg mozga bogatog kalcineurinom. Posljedično, dokazano je da je kalmodulin protein koji ima sposobnost vezanja za kalcineurin. Po aktivaciji, kalmodulin se veže za jednu od dvije podjednice kalcineurina.[2]
Po svojoj strukturi kalcineurin je proteinski heterodimer. Sačinjen je od dvije strukturno različite katalitičke podjedinice – kalcineurin A i kalcineurin B. kalcineurin A podjedinica sastoji se od beta-ploča i alfa-uzvojnica te oblikom podsjeća na elipsu. U svojoj strukturi sadrži izduženu alfa-uzvojnicu koja prodire izvan osnovne strukture te predstavlja vezno mjesto za drugu podjedinicu – kalcineurin B. Kalcineurin B je regulatorna podjedinica proteina koja se veže na kalcineurin A podjedinicu te se sastoji od alfa-uzvojnica.[2]
Aktivno mjesto predstavlja mjesto vezanja supstrata i poticanja katalitičkih reakcija. U svom sastavu sadrži različite metale kao što su željezo, cink i mangan. Uloga dinuklearnih metala je poticanje katalitičke reakcije koja je ključna za aktivnost kalcineurina, stabilizacija vezanja supstrata za aktivno mjesto, te održavanje strukturalne stabilnosti proteina. Uz željezo, cink i mangan, aktivno mjesto sadrži histidinske i argininske ostatke amino kiselina koji utječu na katalitičku aktivnost proteina i enzimsku aktivnost.[2]
Kalcineurin je primarno lokaliziran u citosolu. A-kinazni sidreni protein 79 može vezati neaktivni kalcineurin i lokalizirati ga na staničnoj membrani u blizini kalcijevih kanala. Na taj način se kalcineurinu omogućuje optimalna pozicija za vezanje s kalmodulinom.[1]
Najbolje istražena skupina supstrata kalcineurina je obitelj nuklearnih faktora aktiviranih T-limfocita (NFAT). Defosforilacija NFAT-a u citosolu rezultira ulaskom NFAT transkripcijskih faktora u jezgru stanice i aktivacija različitih transkripcijskih programa. Najčešće je rezultat aktivacija T-limfocita. Drugi transkripcijski faktori koji su regulirani defosforilacijom od strane kalcineurina uključuju FOX proteine uključene u metabolizam i autofagiju stanica. Također i proteine faktora-2 pojačivača miocita (MEF2) i transkpcijski faktor EB (TFEB) koji reguliraju srčanu funkciju, funkciju neurona i autofagiju.[1]
Kalcineurin može defosforilirati AMPAR i NMDAR receptore koji reguliraju sinaptički potencijaciju i depresiju. Također može modulirati aktivnost TRESK kanala u središnjem živčanom sustavu i imunološkom odgovoru. Kalcineurin je i bitan regulator NHE1 kanala.[1]
Kalcineurin defosforilacijom regulira aktivnost dinamin-vezanog proteina 1 (DRP1). Dodatno, apoptoza inicirana povećanjem unutarstanične koncentracije kalcijevih iona događa zbog defosforilacije BAD proteina od strane kalcineurina. Signaliziranje kalcijem je povezano s citoskeletom neurona i neurodegeneracijom pomoću kalcineurina. Kalcineurin je fosfataza koja defosforilira tau proteine i MAP2 te tako kontrolira njihovo vezanje za mikrotubule i stabilizaciju istih.[1]
Influks kalcijevih iona u stanicu povećava unutarstaničnu koncentraciju istih. Kalcijevi ioni mogu se vezati na kalmodulin. Kad se kalcijev ion veže za kalmodulin formira se Ca:kalmodulin kompleks koji može aktivirati kalcijeve pumpe koje izbacuju kalcij iz citoplazme ili ga pohranjuju u endoplazmatski retikulum. Ovaj kompleks također aktivira kalcineurin vežući se za njegovu kalmodulin-vezujuću katalitičku podjedinicu. Aktivirani kalcineurin ima sposobnost defosforiliranja ciljnih proteina.[3]
Aktivacija naivnih T-limfocita zahtijeva 3 signala. Prvi signal dolazi od interakcije T-staničnog receptora i antigena koji je prezentiran na MHC molekuli antigen prezentirajućih stanica. Djelovanje liganada na antigen-prezentirajućim stanicama (CD80, CD86, CD40) na kostimulatorne molekule na T stanicama (CD28, CD154) daje drugi signal za aktivaciju. Treći signal dolazi od citokina koji posreduju u diferencijaciji i ekspanziji aktiviranih T-limfocita. U aktiviranim T stanicama dolazi do velikog influksa kalcijevih i ona u stanicu što posljedično aktivira kalcineurin. Aktivirani kalcineurin defosforilira obitelj tarnskripcijskih faktora NFAT (nuklearni faktor aktiviranih T-stanica) i omogućava njihovu translokaciju u staničnu jezgru gdje se NF-ATc dimerizira s NF-ATn. Formira se heterodimerni aktivni nuklearni faktor NFAT koji aktivira gene za interleukin-2 (IL-2) T-stanični faktor rasta ključan za proliferaciju T-stanica i generiranje efektorskih i memorijskih T-limfocita.[4]
Kalcineurin je protein koji se pojavljuje u mnogim staničnim procesima, u normalnom stanju organizma i prilikom bolesti. Neki od bolesti u kojima ulogu posjeduje kalcineurin su:
Uloga kalcineurina neizostavna je u imunološkom odgovoru posredovanim T-limfocitima. Prilikom povećane koncentracije kalcija unutar stanice, kalmodulin se veže za kalcineurin i aktivira ga. Visoka razina kalcija potiče defosforilaciju NFAT proteina omogućujući im ulazak u jezgru i aktivaciju transkripcije citokina. Navedeno potiče upalne procese prekomjernom akumulacijom aktiviranih T-limfocita čime se potiče razvoj upalnih i autoimunih bolesti.[5][6]
Srčana hipertrofija nastaje zbog povećanog opterećenja mišića srca što može rezultirati zatajenjem srca. Prilikom povećane koncentracije kalcija aktivira se kalcineurin koji doprinosi razvoju hipertrofije. U svrhu prevencije srčane hipertrofije nastoji se inhibirati aktivnost kalcineurina i održati normalnu funkciju srca.[5][6]
Uloga kalcineurina očituje se u funkciji neurona i astrocita čime se utječe na sinaptičke funkcije i sposobnost memorije. Izmjena u koncentraciji kalcija u bolestima kao što su Alzheimerova bolest i Parkinsonova bolest potiče upalne procese. Inhibicijom aktivnosti kalcineurina pojavljuje se potencijalna terapijska strategija u borbi protiv neurodegenerativnih bolesti.[5]
Aktivacijom NFAT proteina i kalcineurina potiče se progresija i preživljavanje stanica raka, njihova proliferacija, migracija, invazija i metastaziranje. Kalcineurinskom inhibicijom potencijalno se reducira rizik od nekontrolirane proliferacije stanice raka.[5]