Polo-ähnliche Kinasen (Plks) werden zunehmend als Schlüsselfaktoren der Mitose, Meiose und Zytokinese erkannt. Im Einklang mit dem breiten Funktionsspektrum, das während der Zellteilung vorgeschlagen wurde, unterliegt Plk einer komplexen zeitlichen und räumlichen Kontrolle. Jüngste Entdeckungen haben die Mechanismen der Plk-Regulation aufgedeckt: Sie richten sich auf verschiedene zelluläre Strukturen, indem sie mit phosphorylierten Andockproteinen interagieren. Darüber hinaus gibt es neue Erkenntnisse über die Substratspezifität der Plks und die Rolle einzelner Substrate im Verlauf der M-Phase.

Plk-Struktur und Regulation

Die Struktur von Plk und die Struktur, die Plk reguliert. Alle Plks besitzen ähnliche Strukturen, mit einer typischen Serin/Threonin-Kinasedomäne am Amino-Terminus und einer regulatorischen Domäne mit zwei charakteristischen Motiven am Carboxy-Terminus, die als Polo-Box bezeichnet werden (Abbildung 2). Während die Genome von Drosophila melanogaster, Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces cerevisiae jeweils nur ein Plk (Polo, Cdc5 bzw. Plo1) besitzen, gibt es bei Wirbeltieren mehrere Mitglieder der Plk-Familie. Sie übernehmen die meisten Funktionen von Polo, Cdc5 und Plo1. Über die physiologischen Rollen anderer Wirbeltiermitglieder der Plk-Familie (BOX 1) ist derzeit wenig bekannt, aber angesichts ihrer strukturellen Ähnlichkeit könnten viele der für Plk1 etablierten Eigenschaften auch auf andere Plks zutreffen.

Regulierung 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 einem kurzen Bereich der katalytischen Domäne aktiviert. Der sogenannte T-Ring. In Wirbeltier-Plk wurden evolutionär konservierte Threoninreste (Thr201 in Xenopus Thr201; Thr210 in Homo sapiens PLK1) zu Asparaginsäure mutiert, was die T-Ring-Phosphorylierung imitiert und eine große Anzahl von Kinasen aktiviert. Zwei Kinasen wurden identifiziert, die Plx1 in vitro phosphorylieren und aktivieren können, nämlich Plkk1 (Plk kinase1) und PKA (Protein kinase A). Plkk1 (Plk kinase-1) entspricht dem menschlichen SLK (SNF1-like kinase). Ob diese Kinasen Plks unter physiologischen Bedingungen in vivo aktivieren, ist unklar, und es könnten noch weitere regulatorische Kinasen upstream existieren. Zusätzlich zur T-Loop-Stelle wird das konservierte Serin (Ser128 in Plx1; Ser137 in PLK1) ebenfalls zu Asparaginsäure mutiert. Dadurch wird eine große Anzahl von Kinasen aktiviert, aber es ist unklar, ob diese Stelle tatsächlich in vivo phosphoryliert wird. Mehrere weitere Phosphorylierungsstellen wurden auf Plx1 lokalisiert, aber ihre Bedeutung ist noch nicht geklärt.

Zell- und Chromosomentrennung

In mitotischen Zellen ist Plk1 nicht nur mit Spindeln, sondern auch mit Pflanzen und Tieren assoziiert. Diese zentromerbezogenen Proteinstrukturen spielen eine wichtige Rolle in zwei eng verwandten Prozessen62. Erstens sind sie die Orte, an denen Spindelmikrotubuli an mitotische Chromosomen anheften. Zweitens sind sie essenziell für die Regulierung eines Überwachungsmechanismus, der als Spindel- (oder Spindelmontage-)Checkpoint bezeichnet wird. Der Zweck dieses Checkpoints ist es, sicherzustellen, dass alle Chromosomen bipolar mit der Spindel verbunden sind, bevor SCHWESTERCHROMATIDEN getrennt und auseinandergezogen werden (Box 3). Die Lokalisierung von Plk1 in Mitochondrien weist somit auf die Rolle dieser Kinase bei der Mitochondrienassemblierung, den Mitochondrien-Mikrotubuli-Interaktionen und der Regulation des Spindel-Checkpoints hin. Obwohl sich diese Möglichkeiten nicht gegenseitig ausschließen, muss ein besseres Verständnis der Funktion von Plk1 im Kinetochor möglicherweise bis zur Identifizierung seines strukturellen Substrats und Bindungspartners warten.

Zytokinese

Die Beteiligung der Polo-Kinase an der Zytokinese wurde erstmals in Spalthefe nachgewiesen, wo die Überexpression von Plo1 die Abtrennung in jeder Phase des Zellzyklus antreibt, während plo1-Mutanten nicht abgetrennt werden können. Ein Protein namens Mid1 bestimmt, wo die Bildung kontraktiler Ringe im Zellkern aufgrund der Phosphorylierung durch Plk erfolgt. Jüngste Studien zur Rolle von Plk1 bei Säugetieren in der Zytokinese haben auch den mit dem Kinetochor assoziierten Motor Mklp2 und die Dynein-Untereinheit NudC als potenzielle Substrate für Plk1 identifiziert, die mit PBD interagieren. Sowohl Mklp2 als auch NudC besitzen verwandte Kinesin-Aktivität und sind beide auf der zentralen Spindel lokalisiert. Es wurde festgestellt, dass PLK1 die zentrale Spindlin-Untereinheit CYK4 in der Mitte der Spindel phosphoryliert, was die Rekrutierung des Rho-Guaninnukleotid-Austauschfaktors (GEF) ECT2 ermöglicht, um die RhoA-Aktivierung und die Kontraktion von Aktin zu fördern.

Referenz

1. Barr, Francis A; et al. Polo-ähnliche Kinasen und die Orchestrierung der Zellteilung. Nature reviews Molecular cell biology. 2004: 429-441.