Polo-ähnliche Kinasen (Plks) werden zunehmend als zentrale Regulatoren von Mitose, Meiose und Zytokinese anerkannt. In Übereinstimmung mit dem breiten Spektrum der während der Zellteilung postulierten Funktionen unterliegt Plk einer komplexen zeitlichen und räumlichen Regulation. Jüngste Erkenntnisse haben die Mechanismen der Plk-Regulation aufgezeigt: Sie adressieren unterschiedliche zelluläre Strukturen durch Interaktion mit phosphorylierten Docking-Proteinen. Darüber hinaus liegen zunehmend Informationen zur Substratspezifität von Plks sowie zur Rolle einzelner Substrate in der Progression der M‑Phase vor.

Plk-Struktur und -Regulation

Die Struktur von Plk und die Struktur, die Plk reguliert. Alle Plks weisen eine ähnliche Architektur auf, mit einer typischen Serin/Threonin-Kinase-Domäne am Aminoterminus und einer regulatorischen Domäne am Carboxyterminus, die zwei charakteristische Motive enthält, die als Polo-Box (Abbildung 2) bezeichnet werden. Während die Genome von Drosophila melanogaster, Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces cerevisiae jeweils nur eine Plk (Polo, Cdc5 bzw. Plo1) kodieren, verfügen Wirbeltiere über mehrere Mitglieder der Plk-Familie. Diese übernehmen den Großteil der Funktionen von Polo, Cdc5 und Plo1. Derzeit ist über die physiologischen Rollen anderer Wirbeltier-Mitglieder der Plk-Familie (BOX 1) wenig bekannt; aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit könnten jedoch viele der für Plk1 etablierten Eigenschaften auch auf andere Plks übertragbar sein.

Regulation durch Phosphorylierung

Viele für die Zellteilung wichtige Proteine werden durch zwei grundlegende Mechanismen kontrolliert: Phosphorylierung und ubiquitinabhängige Proteolyse. Die Regulation von Plk folgt diesen allgemeinen Prinzipien. Wie viele andere Proteinkinasen wird Plk durch Phosphorylierung in einer kurzen Region der katalytischen Domäne aktiviert, der sogenannten T‑Schleife (T‑loop). In Wirbeltier-Plks wurden evolutionär konservierte Threoninreste (Thr201 in Xenopus Plx1; Thr210 in Homo sapiens PLK1) zu Asparaginsäure mutiert, wodurch eine T‑Loop-Phosphorylierung nachgeahmt und eine starke Kinaseaktivierung ausgelöst wurde. Zwei Kinasen wurden identifiziert, die Plx1 in vitro phosphorylieren und aktivieren können, nämlich Plkk1 (Plk kinase 1) und PKA (Proteinkinase A). Plkk1 (Plk kinase‑1) entspricht der humanen SLK (SNF1-like kinase). Ob diese Kinasen Plks unter physiologischen Bedingungen in vivo aktivieren, ist unklar; es könnten weitere upstream-regulierende Kinasen existieren. Zusätzlich zur T‑Loop-Stelle wurde auch das konservierte Serin (Ser128 in Plx1; Ser137 in PLK1) zu Asparaginsäure mutiert, was ebenfalls eine starke Kinaseaktivierung bewirkte; es ist jedoch unklar, ob diese Stelle in vivo tatsächlich phosphoryliert wird. Mehrere weitere Phosphorylierungsstellen wurden auf Plx1 lokalisiert, ihre Bedeutung ist jedoch noch nicht abschließend geklärt.

Zell- und Chromosomentrennung

In mitotischen Zellen ist Plk1 nicht nur mit Spindeln assoziiert, sondern auch mit Kinetochoren. Diese zentromerassoziierten Proteinstrukturen spielen eine wichtige Rolle in zwei eng verwandten Prozessen62. Erstens sind sie die Stellen, an denen Spindel-Mikrotubuli an mitotische Chromosomen anheften. Zweitens sind sie essenziell für die Regulation der Aktivität eines Überwachungsmechanismus, der als Spindel-(oder Spindelassemblierungs-)Checkpoint bezeichnet wird. Ziel dieses Checkpoints ist es sicherzustellen, dass alle Chromosomen bipolär an die Spindel angebunden sind, bevor die SCHWESTERCHROMATIDEN getrennt und auseinandergezogen werden (Box 3). Die Lokalisation von Plk1 an Kinetochoren weist daher auf eine Rolle dieser Kinase bei der Kinetochorassemblierung, bei Kinetochor‑Mikrotubuli-Interaktionen sowie bei der Regulation des Spindel-Checkpoints hin. Obwohl sich diese Möglichkeiten nicht gegenseitig ausschließen, wird ein besseres Verständnis der Funktion von Plk1 am Kinetochor vermutlich die Identifizierung seiner strukturellen Substrate und Bindungspartner erfordern.

Zytokinese

Die Beteiligung der Polo-Kinase an der Zytokinese wurde erstmals in Spalthefe gezeigt, wo die Überexpression von Plo1 eine Teilung in jeder Phase des Zellzyklus auslöst, während plo1-Mutanten nicht zur Teilung fähig sind. Ein Protein namens Mid1 bestimmt den Ort der Bildung kontraktiler Ringe im Zellkern und wird durch Phosphorylierung durch Plk reguliert. Neuere Studien zur Rolle der mammalianen Plk1 in der Zytokinese identifizierten zudem den Kinesin-verwandten Motor Mklp2 sowie die Dynein-Untereinheit NudC als potenzielle Substrate von Plk1, die mit der PBD interagieren. Sowohl Mklp2 als auch NudC weisen kinesinbezogene Aktivität auf und sind beide an der zentralen Spindel lokalisiert. Es wurde gezeigt, dass PLK1 die zentrale Spindlin-Untereinheit CYK4 in der Spindelmitte phosphoryliert, wodurch die Rekrutierung des Rho-Guaninnukleotid-Austauschfaktors (GEF) ECT2 ermöglicht wird, um die Aktivierung von RhoA und die Aktinkontraktion zu fördern.

Referenz

1. Barr, Francis A; et al. Polo-like kinases and the orchestration of cell division. Nature reviews Molecular cell biology. 2004: 429-441.