Frühe Studien in niederen Eukaryoten haben die Rolle von Mitgliedern der NimA-assoziierten Kinase(Nek)-Proteinkinasefamilie bei der Kontrolle des Zellzyklus identifiziert. Die Expansion der Nek-Familie im Verlauf der Evolution ging mit ihrer umfassenden Beteiligung an der Regulation von Checkpoints und der Zilienbiologie einher. Darüber hinaus wurden Mutationen in Mitgliedern der Nek-Familie als treibende Faktoren für die Zilien- und Krebsentwicklung identifiziert. Jüngste Fortschritte durch den Einsatz der Mausgenetik sowie RNAi-vermittelter Knockout-Ansätze zur Untersuchung der physiologischen Funktionen von Mitgliedern der Nek-Familie haben die komplexen Verknüpfungen der Nek-Familienmitglieder mit grundlegenden biologischen Prozessen aufgezeigt.

NEK-Familie

Der filamentöse Pilz Aspergillus nidulans (Aspergillus nidulans) ist ein Gründungsmitglied der Serin/Threonin-Kinase(NEK)-Familie und ein wichtiger Regulator der Mitose. NimA ist für den Transport von aktivem CDC2 in den Zellkern erforderlich, damit dieser die Mitose initiieren kann. Darüber hinaus fördert NimA die mitotische Chromosomenkondensation durch Phosphorylierung von Histon H3 an Serin 10 und könnte die Spaltung der Kernmembran während des mitotischen Austritts regulieren. Die Schlüsselrolle von NimA bei der Förderung der Zellzyklusprogression in Aspergillus nidulans erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass NimA-Homologe in höheren Eukaryoten vorhanden sind. Konsistent damit induziert die Überexpression von NimA in S. pombe und humanen HeLa-Zellen eine Chromosomenagglutination in Abwesenheit anderer mitotischer Ereignisse, wie z. B. der Assemblierung des Mikrotubuli-Spindelapparats oder der Aktivierung von Cdc2. Tatsächlich wurden NimA-verwandte Kinasen in sämtlichen höheren Eukaryoten identifiziert, und die Familie hat sich im Verlauf der Evolution erheblich erweitert. Trotz des Vorhandenseins eines einzelnen NimA-Homologs in Hefe wurden 2, 4 bzw. 11 NimA-verwandte Kinasen in Drosophila melanogaster, Nematoden bzw. Säugetieren identifiziert. NimA besteht aus einer N-terminalen katalytischen Domäne, einer helikalen Coiled-Coil-Domäne, die die Oligomerisierung vermittelt, sowie einer PEST-Sequenz, die an der ubiquitinabhängigen Proteolyse beteiligt ist, welche möglicherweise für den Austritt von A. nidulans aus der Mitose erforderlich ist. Die NimA-Kinaseaktivität zeigt eine Präferenz für phosphorylierte Reste (FR/KR/KS/T, unterstrichene Zielreste) mit N-terminalen hydrophoben Resten und Phenylalanin an der -3-Position. Trotz der insgesamt geringen Sequenzhomologie sind die strukturellen Merkmale von NimA in mammalischen Nek-Kinasen weitgehend erhalten. So enthalten – mit Ausnahme von Nek10 – alle Nek-Kinasen eine N-terminale katalytische Domäne, während Nek4, Nek6 und Nek7 die einzigen Familienmitglieder sind, die kein Coiled-Coil-Motiv aufweisen. Darüber hinaus besitzen 6 der 11 mammalischen Nek-Kinasen mutmaßliche PEST-Sequenzen.

Nek-Kinasen und Checkpoint-Kontrolle

Neben etablierten Funktionen während der Mitose sind bestimmte Nek-Kinasen auch an der Zellzyklusregulation nach genotoxischem Stress beteiligt. Alle eukaryotischen Zellen verfügen über mehrere molekulare Mechanismen zur Erkennung und Reparatur geschädigter DNA sowie zur Aufrechterhaltung der genomischen Integrität. Ein wesentlicher Aspekt dieses Prozesses ist die Aktivierung von Checkpoints und die Induktion eines Zellzyklusarrests, um den Zellen Zeit zur Reparatur der Schäden zu geben. Ein Zellzyklusarrest kann während der G1/S-, S- und G2/M-Phasen des Zellzyklus durch endogene (z. B. eine blockierte Replikationsgabel) oder exogene Agenzien (einschließlich ultravioletter (UV) Strahlung, ionisierender Strahlung (IR), reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) sowie bestimmter chemotherapeutischer Wirkstoffe) ausgelöst werden. Nach erfolgreicher Reparatur treten die Zellen wieder in den Zellzyklus ein.

Schlussfolgerungen

Frühe phänotypische Analysen des mutierten Pilzes der prototypischen Nek-Kinase zeigten, dass diese an der Zellzyklusregulation beteiligt ist. Nachfolgende Untersuchungen in Hefe und Froschmodellen sowie jüngst in Mausmodellen ergaben, dass Mitglieder der Nek-Familie eine bemerkenswerte Komplexität bei der Kontrolle des Zellzyklus und seiner Checkpoints aufweisen. Darüber hinaus wurden Mutationen in Mitgliedern der Nek-Familie als Treiber der Zilien- und Krebsentwicklung identifiziert. Das jüngste Aufkommen umfassender Krebsgenom-Analysen unterstreicht, dass bestimmte Mitglieder der Nek-Familie Zielstrukturen für häufige Mutationen sind. Trotz erheblicher Fortschritte beim Verständnis der Biologie der Nek-Familie ist die interessanteste Arbeit aufgrund von Gen-Knockouts, RNAi-vermittelten Knockouts, natürlich vorkommenden Mutationen und dem Aufkommen von Xenograft-Tumormodellen noch nicht abgeschlossen.

Referenz:

1. Moniz L; et al. Nek family of kinases in cell cycle, checkpoint control and cancer. Cell Division, 2011, 6(1):18-18.