Frühe Studien an niederen Eukaryoten haben die Rolle von Mitgliedern der NimA-assoziierten Kinase (Nek) Proteinkinase-Familie in der Zellzykluskontrolle identifiziert. Die Expansion der Nek-Familie im Verlauf der Evolution ging mit ihrer umfangreichen Beteiligung an der Checkpoint-Regulation und der Zilienbiologie einher. Darüber hinaus wurden Mutationen in Mitgliedern der Nek-Familie als treibende Kräfte für die Entwicklung von Zilien und Krebs identifiziert. Jüngste Fortschritte bei der Verwendung von Mausgenetik und RNAi-vermitteltem Knockout zur Untersuchung der physiologischen Rollen von Mitgliedern der Nek-Familie haben die komplexen Verbindungen der Nek-Familienmitglieder zu grundlegenden biologischen Prozessen aufgezeigt.

NEK-Familie

Der filamentöse Pilz Aspergillus nidulans (Apergillus nidulans) ist ein Gründungsmitglied der Serin-Threonin-Kinase (NEK)-Familie und ein wichtiger Regulator der Mitose. NimA ist notwendig für den Transport von aktivem CDC2 in den Zellkern, damit die Mitose eingeleitet werden kann. Darüber hinaus fördert NimA die mitotische Chromosomenkondensation durch Phosphorylierung von Histon H3 an Serin 10 und könnte die Kernmembranfission während des mitotischen Rückzugs regulieren. Die Schlüsselrolle von NimA bei der Förderung des Zellzyklusfortschritts von Aspergillus nidulans erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass NimA-Homologe auch in höheren Eukaryoten vorhanden sind. Im Einklang damit induziert die Überexpression von NimA in S.pombe und menschlichen HeLa-Zellen eine Chromosomenagglutination in Abwesenheit anderer mitotischer Ereignisse wie Mikrotubuli-Spindelaufbau oder Cdc2-Aktivierung. Tatsächlich wurden NimA-verwandte Kinasen in höheren Eukaryoten identifiziert, und die Familie hat sich im Laufe der Evolution erheblich erweitert. Trotz des Vorhandenseins eines einzelnen NimA-Homologen in Hefe wurden 2, 4 und 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, und einer PEST-Sequenz, die an der ubiquitinabhängigen Proteolyse beteiligt ist, was möglicherweise der notwendige Prozess für das Verlassen der Mitose bei A. nidulans ist. Die Kinaseaktivität von NimA zeigt eine Präferenz für phosphorylierte Reste (FR/KR/KS/T, unterstrichene Zielreste) für N-terminale hydrophobe Reste und Phenylalanin an der -3 Position. Trotz der geringen Gesamtsequenzhomologie sind die Gewebeeigenschaften von NimA in den Säugetier-Nek-Kinasen weitgehend erhalten. Zum Beispiel enthalten, mit Ausnahme von Nek10, alle Nek-Kinasen eine N-terminale katalytische Domäne, während Nek4, 6 und 7 die einzigen Familienmitglieder sind, die kein Coiled-Coil-Motiv enthalten. Darüber hinaus besitzen 6 der 11 Säugetier-Nek-Kinasen mutmaßliche PEST-Sequenzen.

Nek-Kinase und Checkpoint-Kontrolle

Neben den 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, um beschädigte DNA zu erkennen und zu reparieren und die genomische Integrität aufrechtzuerhalten. Ein wichtiger Aspekt dieses Prozesses ist die Aktivierung von Checkpoints und die Induktion eines Zellzyklusarrests, um den Zellen Zeit zur Reparatur des Schadens zu geben. Ein Zellzyklusarrest kann während der G1/S-, S- und S2/G2/M-Phasen des Zellzyklus durch endogene (wie einen gestoppten Replikationsgabel) oder exogene Einflüsse (einschließlich ultravioletter (UV) Strahlung, ionisierender Strahlung) Schäden (IR), reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und bestimmte Chemotherapeutika ausgelöst werden. Nach erfolgreicher Reparatur treten die Zellen wieder in den Zellzyklus ein.

Schlussfolgerungen

Frühe phänotypische Analysen des mutierten Pilzes der Prototyp-Nek-Kinase zeigten, dass sie an der Zellzyklusregulation beteiligt ist. Nachfolgende Forschungen an Hefe und Fröschen und jüngst an Mäusen ergaben, dass Mitglieder der Nek-Familie eine faszinierende 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 des umfassenden Krebsgenoms hebt hervor, dass bestimmte Mitglieder der Nek-Familie Ziele für häufige Mutationen sind. Trotz bedeutender Fortschritte im 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-Familie von Kinasen im Zellzyklus, bei der Checkpoint-Kontrolle und Krebs. Cell Division, 2011, 6(1):18-18.