Haspin ist eine nukleäre und chromosomenassoziierte Serin/Threonin-(S/T)-Kinase, die für die mitotische Phosphorylierung von Histon H3 an Thr-3 verantwortlich ist. Haspin weist erkennbare Ähnlichkeiten zu Faltungen eukaryotischer Proteinkinasen (ePK) auf, seine Sequenzen unterscheiden sich jedoch stark, sodass seine strukturelle Organisation von besonderem Interesse ist. Wir berichten die 2,15-Å-Kristallstruktur der Kinasedomäne des humanen Haspin. Die ePK-Faltung von Haspin enthält eine Reihe von Insertionen und Deletionen. Diese Struktur veranschaulicht, wie Haspin dem klassischen Aktivierungsschema der meisten anderen Kinasen entgeht. Die αC-Helix mit einem konservierten Glutamat ist für die Katalyse essenziell und nimmt ihre finale aktive Konformation innerhalb der beiden Lappen der Kinase ein. Sie ist zwischen einer α-Helix-Insertion vor der Kinasedomäne und einem Aktivierungsfragment in einer beispiellosen Konformation eingebettet. Aktivierungsfragmente ohne Phosphorylierungsreste sind auf der strukturell atypischen αEF-Helix gestapelt. Diese ragt deutlich aus dem gefalteten Kern heraus und bildet eine breite Plattform, die mehrere für die Substratbindung relevante Aminosäurereste umfasst. Insgesamt zeigt die Struktur der Haspin-Kinasedomäne eine aktive Konformation, die für Substraterkennung und Phosphorylierung in Abwesenheit externer Regulatoren genutzt werden kann.

Einleitung

Es wurde berichtet, dass Haspin (haploid germ cell-specific nuclear protein kinase) eine Serin/Threonin-Kinase ist, die eine Rolle bei Arrest und Differenzierung des Zellzyklus haploider Keimzellen spielen könnte. Darüber hinaus ist Haspin-mRNA auch in diploiden Zelllinien und Geweben nachweisbar. Haspin-ähnliche Proteine wurden in mehreren wichtigen Eukaryoten identifiziert, darunter Hefe, Pflanzen, Fruchtfliegen, Fische und Säugetiere sowie in einer erweiterten Gruppe von C. elegans. Haspin-ähnliche Proteine besitzen vollständige, jedoch divergente Sequenzen der eukaryotischen Proteinkinasedomäne. Obwohl sie eindeutig miteinander und mit anderen eukaryotischen Proteinkinasen verwandt sind, fehlt Haspin-verwandten Proteinen die Konservierung eines Teilsets von Aminosäureresten, die in bekannten Kinasen nahezu unverändert sind, und sie weisen einzigartige Insertionsregionen auf. Tatsächlich hat eine phylogenetische Analyse gezeigt, dass Haspin-ähnliche Proteine eine neue Familie eukaryotischer Proteinkinasen bilden, die sich von den bislang definierten unterscheidet. Die Identifizierung verwandter Proteine in Modellorganismen liefert erste Hinweise auf deren funktionelle Eigenschaften und eröffnet neue experimentelle Ansätze zur Bestimmung der Funktion von Haspin-Proteinen in Säugerzellen. Im humanen Genom existieren mehrere atypische Kinasen. Atypische Kinasen sind zur ePK-Familie homolog und können daher eine zweilappige ePK-Faltung annehmen, ihnen fehlt jedoch mindestens ein konservierter katalytischer Rest; folglich können sie enzymatisch inaktiv sein oder über Aktivierungsmechanismen verfügen, die sich deutlich von typischen Kinasen unterscheiden. Haspin/Gsg2 (haploid cell-specific nuclear protein kinase/germ cell-specific gene 2) ist eine atypische Kinase mit nur schwachen Ähnlichkeiten zu ePK-Profilen. Kinasen der Haspin-Familie weisen eine ähnliche Domänenarchitektur auf. Die Kinasedomäne befindet sich im C-terminalen Anteil des Moleküls; der Bereich mit niedriger Komplexität kann eine teilweise ungefaltete N-terminale Region aufweisen, was die Sequenzidentität innerhalb der Familie reduziert. Haspin ist ein nukleäres, chromosomenassoziiertes Protein und phosphoryliert bevorzugt Histon H3 (P-Thr-3H3) an Threonin 3 innerhalb der Mitochondrien. Kürzlich wurde diese Modifikation mit der Aktivierung der Aurora-B-Kinase, einem zentralen Regulator mitotischer Prozesse, in Verbindung gebracht; frühere Studien konnten jedoch keinen überzeugenden Zusammenhang zwischen Haspin und der Aurora-B-Aktivität herstellen. Im Einklang mit der mitotischen Wirkung von Haspin führt ein RNAi-Knockdown zu Zellaggregation, Problemen bei Chromosomenkohäsion und -ausrichtung sowie zu Metastasierung.

Schlussfolgerungen

Die Struktur der atypischen Kinasedomäne von Haspin offenbart einen beispiellosen Aktivierungsmechanismus. Selbst in Abwesenheit einer aktivierenden Phosphorylierung der Aktivierungsschleife vermittelt ein breites Spektrum hydrophober Wechselwirkungen eine katalytisch kompatible Konformation der αC-Helix und der aktivierenden Einheit, was darauf hindeutet, dass Haspin eine konstitutiv aktive Kinase ist. Nach Entfernung von mindestens vier wesentlichen Autophosphorylierungsstellen bleibt Haspin aktiv und wird daher wahrscheinlich nicht durch Phosphorylierung reguliert. Die aminoterminale Region von Haspin (1–450) ist eine Sequenz niedriger Komplexität und wird voraussichtlich nicht zu einer stabilen globulären Domäne falten. Spezifische Sequenzen in der N-terminalen Domäne von Haspin könnten den Zugang des Substrats zur Kinasedomäne in einer Weise regulieren, die der kürzlich für die Spindel-Checkpoint-Kinase Bub1, eine weitere atypische Kinase, beschriebenen ähnelt.

Referenz:

1. Villa, F; et al. Crystal structure of the catalytic domain of Haspin, an atypical kinase implicated in chromatin organization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2009, 106(48):20204-20209.