Polo-ähnliche Kinasen (Plks) werden zunehmend als Schlüsselregulatoren der Mitose, Meiose und Zytokinese anerkannt. In Übereinstimmung mit der breiten Palette von Funktionen, die während der Zellteilung vorgeschlagen werden, unterliegt Plk komplexen zeitlichen und räumlichen Kontrollen. Jüngste Entdeckungen haben die Mechanismen der Plk-Regulation offenbart; sie zielen auf verschiedene zelluläre Strukturen ab, indem sie mit phosphorylierten Docking-Proteinen interagieren. Darüber hinaus kommen Informationen über die Substratspezifität von Plks und die Rolle einzelner Substrate im Fortschritt der M-Phase ans Licht.

Plk-Struktur und Regulation

Die Struktur von Plk und die Struktur, die Plk reguliert. Alle Plks haben ähnliche Strukturen, mit einer typischen Serin/Threonin-Kinase-Domäne am N-terminalen Ende und einer regulatorischen Domäne, die zwei charakteristische Motive am C-terminalen Ende enthält, die als Polo-Box bezeichnet werden (Abbildung 2). Obwohl die Genome von Drosophila melanogaster, Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces cerevisiae nur ein Plk (Polo, Cdc5 und Plo1, jeweils) haben, hat die Wirbeltierart mehrere Mitglieder der Plk-Familie. Sie übernehmen die meisten Funktionen von Polo, Cdc5 und Plo1. Derzeit ist wenig über die physiologischen Rollen anderer Wirbeltiermitglieder der Plk-Familie bekannt (BOX 1), aber angesichts ihrer strukturellen Ähnlichkeit könnten viele der für Plk1 festgelegten Eigenschaften auch auf andere Plk zutreffen.

Reguliert 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 vertebralen Plk wurden evolutionär konservierte Threoninreste (Thr201 in Xenopus Thr201; Thr210 in Homo sapiens PLK1) in Asparaginsäure mutiert, was die Phosphorylierung des T-Rings nachahmt 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 (Proteinkinase A). Plkk1 (Plk-Kinase-1) entspricht dem menschlichen SLK (SNF1-ähnliche Kinase). Ob diese Kinasen Plks unter physiologischen Bedingungen in vivo aktivieren, ist unklar, und es könnte andere upstream-regulatorische Kinasen geben. Neben der T-Schleifen-Stelle wird das konservierte Serin (Ser128 in Plx1; Ser137 in PLK1) ebenfalls in Asparaginsäure mutiert. Eine große Anzahl von Kinaseaktivierungen wird übertragen, aber es ist unklar, ob die Stelle tatsächlich in vivo phosphoryliert wird. Mehrere andere Phosphorylierungsstellen wurden auf Plx1 lokalisiert, aber ihre Bedeutung muss noch bestimmt werden.

Zell- und Chromosomen-Trennung

In mitotischen Zellen ist Plk1 nicht nur mit Spindeln, sondern auch mit Pflanzen und Tieren verbunden. Diese zentromerbezogenen Proteinstrukturen spielen eine wichtige Rolle in zwei eng verwandten Prozessen62. Erstens sind sie Stellen, an denen Spindelmikrotubuli an mitotische Chromosomen anheften. Zweitens sind sie entscheidend für die Regulierung der Aktivität eines Überwachungsmechanismus, der als Spindel- (oder Spindel-Assembly-) Kontrollpunkt bezeichnet wird. Der Zweck dieses Kontrollpunkts besteht darin, sicherzustellen, dass alle Chromosomen bipolar mit der Spindel verbunden sind, bevor die SCHWESTERCHROMATIDEN getrennt und auseinandergezogen werden (Box 3). Somit weist die Lokalisation von Plk1 in Mitochondrien auf die Rolle dieser Kinase bei der mitochondrialen Assemblierung, den Mitochondrien-Mikrotubuli-Interaktionen und der Regulierung des Spindel-Kontrollpunkts hin. Obwohl diese Möglichkeiten sich nicht gegenseitig ausschließen, könnte ein besseres Verständnis der Funktion von Plk1 im Kinetochor auf die Identifizierung seines strukturellen Substrats und Bindungspartners warten müssen.

Zytokinese

Die Beteiligung der Polo-Kinase an der Zytokinese wurde erstmals in Spalthefen nachgewiesen, wo die Überexpression von Plo1 die Isolation in jedem Stadium des Zellzyklus vorantreibt, während plo1-Mutanten nicht isoliert werden können. Ein Protein namens Mid1 bestimmt, wo die Bildung von kontraktilen Schleifen im Zellkern aufgrund der Phosphorylierung von Plk erfolgt. Jüngste Studien zur Rolle von Säugetier-Plk1 in der Zytokinese haben auch kinetinverwandte Motoren Mklp2 und Dynein-Unterkomponente NudC als potenzielle Substrate für Plk1 identifiziert, die mit PBD interagieren. Sowohl Mklp2 als auch NudC haben verwandte Kinesin-Aktivität und befinden sich beide auf der zentralen Spindel. Es wurde festgestellt, dass PLK1 die zentrale Spindlin-Untereinheit CYK4 in der Mitte der Spindel phosphoryliert, was die Rekrutierung des Rho-Guanin-Nukleotid-Austauschfaktors (GEF) ECT2 zur Förderung der RhoA-Aktivierung und der Kontraktion von Aktin ermöglicht.

Referenz

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