Haspin ist eine nukleare und chromosomenassoziierte Serin/Threonin (S/T)-Kinase, die für die mitotische Phosphorylierung von Histon H3 Thr-3 verantwortlich ist. Haspin weist erkennbare Ähnlichkeiten zu eukaryotischen Proteinkinase-(ePK)-Faltungen auf, aber seine Sequenzen sind stark unterschiedlich, sodass seine strukturelle Organisation sehr interessant ist. Wir berichten über die 2,15-Å-Kristallstruktur der menschlichen Haspin-Kinasedomäne. Die ePK-Faltung von Haspin enthält eine Reihe von Insertionen und Deletionen. Diese Struktur zeigt, wie Haspin dem klassischen Aktivierungsschema der meisten anderen Kinasen entgeht. Die αC-Helix mit einem konservierten Glutamat ist für die Katalyse essentiell und nimmt ihre endgültige aktive Konformation innerhalb der Blätter der Kinase ein. Sie ist zwischen einer Alpha-Helix-Insertion vor der Kinasedomäne und einem Aktivierungsfragment in einer bisher unbekannten Konformation eingebettet. Aktivierungsfragmente ohne Phosphorylierungsreste sind auf der strukturell abnormen αEF-Helix gestapelt. Auffällig aus dem gefalteten Kern herausragend, bildet sie eine breite Plattform, die mehrere mit der Substratbindung assoziierte Reste enthält. Insgesamt zeigt die Struktur der Haspin-Kinasedomäne eine aktive Konformation, die für die Substraterkennung und -phosphorylierung in Abwesenheit externer Regulatoren genutzt werden kann.

Einleitung

Es wurde berichtet, dass Haspin (haploide Keimzell-spezifische nukleare Proteinkinase) eine Serin/Threonin-Kinase ist, die möglicherweise eine Rolle beim Anhalten und Differenzieren des Zellzyklus haploider Keimzellen spielt. Darüber hinaus kann Haspin-mRNA in diploiden Zelllinien und Geweben nachgewiesen werden. Hier wurden Haspin-ähnliche Proteine in mehreren wichtigen Eukaryoten identifiziert, darunter Hefe, Pflanzen, Fruchtfliegen, Fische und Säugetiere sowie eine erweiterte Gruppe von C. elegans. Haspin-ähnliche Proteine besitzen vollständige, aber divergente eukaryotische Proteinkinasedomänen-Sequenzen. Obwohl sie eindeutig miteinander und mit anderen eukaryotischen Proteinkinasen verwandt sind, fehlt Haspin-verwandten Proteinen die Konservierung einer Teilmenge von Resten, die in bekannten Kinasen nahezu unverändert sind, und sie besitzen einzigartige Insertionsregionen. Tatsächlich hat die phylogenetische Analyse gezeigt, dass Haspin-ähnliche Proteine eine neue Familie eukaryotischer Proteinkinasen bilden, die sich von bisher definierten unterscheidet. Die Identifizierung verwandter Proteine in Modellorganismen liefert erste Einblicke in ihre funktionellen Eigenschaften und wird neue experimentelle Ansätze zur Bestimmung der Funktion von Haspin-Proteinen in Säugetierzellen ermöglichen. Im menschlichen Genom gibt es mehrere atypische Kinasen. Atypische Kinasen sind homolog zur ePK-Familie und können daher eine bi-blättrige ePK-Faltung annehmen, aber ihnen fehlt mindestens ein konservierter katalytischer Rest und sie können daher enzymatisch inaktiv sein oder ihr Aktivierungsmechanismus kann sich stark von dem typischer Kinasen unterscheiden. Haspin/Gsg2 (haploidzellspezifische nukleare Proteinkinase/germ cell-specific gene 2) ist eine atypische Kinase mit schwachen Ähnlichkeiten zu ePK-Profilen. Haspin-Familienkinasen haben eine ähnliche Domänenstruktur. Die Kinasedomäne nimmt den C-terminalen Teil des Moleküls mit niedriger Komplexität ein und kann eine teilweise ungefaltete N-terminale Region besitzen, was die Sequenzidentität in der Familie verringert. Haspin ist ein nukleares Protein, das chromosomenassoziiert ist und bevorzugt Histon H3 (P-Thr-3H3) Threonin 3 innerhalb der Mitochondrien phosphoryliert. Kürzlich wurde diese Modifikation mit der Aktivierung der Aurora-B-Kinase, einem wichtigen Regulator mitotischer Prozesse, in Verbindung gebracht, aber frühere Studien konnten keine überzeugende Beziehung zwischen Haspin und der Aurora-B-Aktivität herstellen. Im Einklang mit der mitotischen Wirkung von Haspin führt ein RNAi-Knockout zu Zellaggregation, Problemen bei der Chromosomenkohäsion und -ausrichtung sowie Metastasen.

Schlussfolgerungen

Die Struktur der atypischen Kinasedomäne von Haspin zeigt einen bisher unbekannten Aktivierungsmechanismus. Selbst in Abwesenheit einer aktivierenden Ringphosphorylierung verleihen umfangreiche hydrophobe Wechselwirkungen der αC-Helix und der aktivierenden Einheit eine katalytisch kompatible Konformation, was darauf hindeutet, dass Haspin eine konstitutiv aktive Kinase ist. Nach Entfernung von mindestens vier signifikanten Autophosphorylierungsstellen ist Haspin aktiv und wird daher wahrscheinlich nicht durch Phosphorylierung reguliert. Die aminoterminale Region von Haspin (1-450) ist eine Sequenz mit niedriger Komplexität und wird wahrscheinlich keine stabile globuläre Domäne ausbilden. Spezifische Sequenzen in der N-terminalen Domäne von Haspin könnten den Zugang zum Substrat der Kinasedomäne auf eine Weise regulieren, die kürzlich für die Spindel-Checkpoint-Kinase Bub1, eine weitere atypische Kinase, beschrieben wurde.

Referenz:

1. Villa, F; et al. Kristallstruktur der katalytischen Domäne von Haspin, einer atypischen Kinase, die an der Chromatinorganisation beteiligt ist. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(48):20204-20209.