ДЕЛЕНИЯ КЛЕТОК: МИТОТИЧЕСКИЕ КИНАЗЫ |
|
---|---|
MITOTIC KINASES AS REGULATORS OF CELL DIVISION AND ITS CHECKPOINTSErich A. Nigg Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 21-32 (2001) |
В типичном цикле соматической клетки M фаза
представлена
. Cytokinesis, процесс деления клетки, происходит в конце митоза. Сегрегация хромосом всегда нуждается в сборке
| Наиболее
выдающейся митотической киназой
является cyclin-dependent kinase 1 (
Cdk1)
семейства Cdk. Известны также миотические киназы
семейства Polo , семейства aurora и семейства NIMA (never in mitosis A), а также
киназы No correct M phase without proper S phaseВ соматическом клеточном цикле репликация
ДНК и удвоение центросом скоординированы,
оба процесса зависят от фосфорилирования
продукта гена retinoblastoma и
высвобождения E2F транскрипционных
факторов, оба нуждаются в активности Cdk2 и cyclin A или cyclin E. Другая киназа, Mps1p, участвует в удвоении Cdk1, the maestro of M phaseРегуляция Cdk1–cyclin комплексов
суммирована на Рис. 1. Активация Cdk1 у млекопитающих зависит от
дефосфорилирования двух соседних остатков в АТФ-связывающем сайте (threonine 14 и tyrosine
15). Это происходит во время G2/M перехода,
когда активность dual-specificity фосфатазы Cdc25C в отношении Cdk1 превосходит
таковую у оппозитных киназ Wee1 и Myt1. В свою очередь, эти
энзимы контролируются с помощью DNA
structure checkpoints, которая
задерживает начало митоза в присутствии
недореплицированной или поврежденной
ДНК.
Активированные Cdk1–cyclin комплексы
затем фосфорилируют мнгочисленные субстраты, напр., ядерные lamins, Early mitotic eventsCentrosome separation and activation.В большинстве типов клеток удвоенные
центросомы остаются тесно спаренными и
функционируют как единый центр,
организующий микротрубочки в G2. Однако,
после G2 они разделяютсяи расходятся. По
ходу они рекрутируют дополнительные
На ранней стадии разделения центросом
член NIMA-семейства Nek2 ( Box 3) , по-видимому, фосфорилирует белок C-Nap1, вызывая тем самым dissolution
динамической структуры, которая
связывает удвоенные центросомы.
Фосфатаза типа 1 взаимодействует с Nek2 и C-Nap1,
а регулируемое клеточным циклом
подовление этой фосфатазы может вызывать
резкое увеличение фосфорилирования C-Nap1 в
G2/M transition. Позднее, несколько kinesin-related motor proteins
(KRPs) и цитоплазматический
Предполагается участие в разделении
центросом и членов семейства aurora-A (Box 4 и ). A-type aurora kinases позвоночных выявлена на полюсах веретена и микротрубочах веретена. Однако, Nuclear envelope breakdown.Nuclear envelope breakdown (NEBD) происходит вскоре
после разделения центросом. Во время
интерфазы ядерная оболочка укреплена с
помощью кариоскелетной структуры,
Chromosome condensation.Конденсация хромосом сопровождается
экстенсивным фосфорилированием гистонов
и негистоных белков. Модификации
гистонов, включая фосфорилирование,
ацетилировние и метилирование.
кореллируют с изменениями в состоянии
кондесации хроматина. Линкерный
гистон H1 является субстратом для
Cdk1–cyclin B, но роль этого фосфорилирования
неясна. Фосфорилирование стрежневого
гистона H3 (в serine 10) кореллирует с
конденсацией хромосом во время митоза и
мейоза и необходимо для сегрегации
хромосом.
Из нескольких описанных histone H3/serine 10 киназ 2 важны для митоза. Члены семейства aurora, в частности Ipl1p у S. cerevisiae и B-type aurora AIR-2 у C. elegans, м. контролировать фосфорилирование гистона H3 в противоположность к type 1 phosphatase ( Glc7p у S. cerevisiae). Однако, у Aspergillus nidulans , по-видимому, NIMA является кандидатом на роль histone H3 kinase. Неясно aurora и/или NIMA-родственные киназы (Neks) фосфорилируют гистон H3 iу позвоночных, или другие киназы. Важным trans-действующим фактором, участвующим в конденсации хромосом, является topoisomerase II и мультибелковый комплекс condensin, оба регулируются с помощью фосфолилирования. В случае 5-членного condensin комплекса имеются доказателльства того, что Cdk1–cyclin B регулирует его ДНК supercoiling activity у Xenopus и его накопление у Schizosaccharomyces pombe. Spindle dynamics and chromosome movementsСборка веретена и митотические
движения связаны с тремя параметрами:
наследуемые динамические свойства
микротрубочковых полимеров (particularly dynamic
instability and treadmilling); баланс акцессорных
белков, стабилизирующих и
дестабилизирующих микротрубочки; и
действие зависимых от микротрубочек
моторов из семейств динеинов и кинезинов.
Динамическая нестабильность особенно
важна в начале митоза , когда
Белок stathmin (известный также как oncoprotein 18),
его микротрубочки дестабилизирующая
активность выключается во время
митоза последовательным
фосфорилированием с участием Cdk1–cyclin B и
еще неидентифицированных киназ.
Фосфорилирование stathmin иллюстрирует
важность пространственной регуляции
сборки веретена. В экстрактах Xenopus
хоматинром индуцированное обрразование
веретена, по-видимому, зависит от
градиентов дифференциально
фосфорилируемых белков,
ассоциированных с микротрубочками. Эти
градинты, по-видимому, возникают в
результате действия иммобилизрованных
киназ и способных к диффузии фосфатаз (или vice
versa).
В ходе митооза взаимодействия microtubule–kinetochore
чрезвычайно динамичны. Они базируются
на связывающих белках, таких как
цитоплазматический динеин и CENP-E, и м. регулироваться
фосфорилированием. У S. cerevisiae aurora
киназа Ipl1p фосфорилирует белок
Сборка веретена и ход митоза зависят также от нескольких отдельных KRPs и цитоплазматического динеина. Однако, мало известно о том, как индивидуальные моторы направляются к определенным структурам и как их локальная активность координируется. Изучыение Eg5показывает, что определенно фосфорилирование участвует в пространственном и временном контроле моторной активности. Anaphase onset and mitotic exitАнафаза начинается вскоре после того,
как все хромосомы испытывают
биполярное соединение с веретеном. Ее
начало характеризуется одновременным
рразделением всех сестринских хроматид в
резултате потери ими cohesion, скорее чем
увеличения сил, направляющих движение к
полюсам. Разделение сестринских хроматид
зависит от деградации ингибитора, т. наз.
securin, с помощью ubiquitin-зависимого
протеолиза. Этот ингибитор уддерживает
протеазу, наз. separase, от устранения слипания
сестринских хроматид путем вырезания
компонента из мультипротеиновго
комплекса, известного как cohesin.
У позвоночных, по-видимому, разные
механизмы устраняют слипание хромосомых
плеч и APC/C ответственна не только за
деструкцию ингибиторов начала анафазы,
но и др. белков, митотических циклинов и
некоторых митотических киназ ( Рис. 2). Помимо Cdk1–cyclin, сюда входят члены семейств Plks,
NIMA и aurora кназы. Важно, что деградация
различных субстратов происходит в разное
время в результате тонкой регуляции APC/C. В
типичных соматических клетках две формы
APC/C активируются последовательно путем
ассоциации с двумя отдельными WD40 repeat
белками, известными как Cdc20 и Cdh1, соотв. ( Рис. 2). Если APC/CCdc20 активна во время
metaphase–anaphaseперехода, то APC/CCdh1
запускается в позднее в митозе и остается
активной в течение последующей G1 фазы.
Начало экспрессии Cdh1 затем коррелирует с
наступлением G1 , подтверждая
последовательную активацию APC/CCdc20 и
APC/CCdh1. Митотическая киназа
регулирует две формы APC/C противоположным
и способами и это играет ключевую роль в
установлении временной последовательности активности APC/C: фосфорилирование APC/C стержневой
субъединицы (и вообще Cdc20) необходимо для
активации APC/CCdc20, тогда как
фосфорилирование Cdh1 предупреждает
активацию APC/CCdh1.
Киназы Cdk1, Plk1 и BubR1 участвуют в активации APC/C Cdc20, а protein kinase A ( PKA), описанная как негативный
регулятор, единственная из них, которая
мол действует непосредственно на APC/C
субъединицы in vivo, нуждается в
подтверждении. Cdc20 сама также
фосфорилирована и выявляется в комплексе
с aurora-A, но роль фосфорилирования Cdc20
неясна. Относительно APC/CCdh1,
неактивность этого комплекса
коррелирует с фосфорилированием Cdh1 от
начала S фазы до позднего митоза,
подтверждая, что Cdh1 последовательно
инактивируется cyclin E, cyclin A и cyclin B-зависимым Cdk
комплексом. У дрожжей активирующее
дефосфорилирование Cdh1 зависит от
phosphatase, Cdc14p, которая активируется
только после молчания spindle-positioning
checkpoint . Однажды активированная, APC/C Cdh1
способствует выходу из митоза, вызывая
дегарадацию циклинов B-type и др.субстратов
ubiquitylation.
G2/M- and M-phase checkpointsМеханизмы надзора, т.наз checkpoint пути,
гарантируют соответствующий порядок и
правильное исполнение событий
клеточного цикла. Checkpoints повсеместны, чтобы обеспечивать
мониторинг прохождения через М фазу
(Рис. 3). Некоторые M-phase checkpoints хорошо
известны, существование др. предполагается. Хорошо известны 'DNA structure checkpoints' , которые арестовывают клетки в G2/M
переходе в ответ на недорепликацию ДНК
или повреждение ДНК, и 'spindle assembly checkpoint',
которые предупреждают наступление
анафазы до тех пор, пока хромосомные
кинетохоры не приобретут правильное
биполярное прикрепление. У
почкующихся дрожжей, третья checkpoint, 'spindle-positioning
checkpoint', связывает инактивацию Cdk1 и выход
из митоза с соотв. ориентацией
митотического веретена. Существует ли
подобная checkpoint и у млекопитающих,
неизвестно.
The DNA structure checkpoints.Три энзима, которые контролируют
активацию Cdk1 у млекопитающих, phosphatase Cdc25C
и киназы Wee1 и Myt1 ( Рис. 1), являются сами фосфорилированными с
помощью множественных киназ с разными
последствиями. С одной стороны, Cdc25C
ингибируется с помощью киназ ( Chk1, Chk2), которые оперируют в
передаче сигналов DNA structure checkpoint, тогда
как Wee1 и Myt1 активируются с помощью тех же
самых путей. С др. стороны, Cdk1–cyclin B
способна активировать Cdc25C и
инактивировать Wee1, создавая тем самым
позитивную петлю обратной связи. Plk1 также
активирует Cdc25C и м. подавлять Wee1 и Myt1. Plk1
млекопитающих ингибируется при
активации DNA damage checkpoint.
The spindle assembly checkpoint.Сheckpoint, который задерживает разделение
сестринских хроматид, пока все хромосомы
не примут определенное положение на
веретене ( Рис. 4). Этот checkpoint обеспечивает мониторинг
присоединения микрорубочек к
кинетохорам и/или создание напряжения,
которое вызывается биполярным
присоединением сестринских хроматид.
Иногда он обозначатеся также как kinetochore attachment checkpoint <вшм>У дрожжей идентифицировано 6 продуктов генов, участвующих в этом checkpoint, в особенности dual-specificity киназа Mps1p, киназа Bub1p и ее партнер Bub3p, и три белка Mad1p, Mad2p и Mad3p55. Гомологи некоторых Mad и Bub белков ассоциируют преимущественно с неприкрепленными кинетохорами в клетках животных, подтверждая роль фосфорилирования в создании сигнала, ингибирующего анафазу, на кинетохорах. Spindle assembly checkpoint не просто активируется в ответ на повреждения веретена, но и вносит вклад в timing начала анафазы в каждом клеточном делении. <вшм>По современной модели структурные изменения, индуцируемые присоединением микротрубочек (и/или натяжением) транслируются посредством фосфорилирования в биохимических сигнал. У позвоночных, это механо-химическое купирование с участием молекулярного взаимодействия между KRP CENP-E и киназой BubR1. Как это регулирует ассоциацию с кинетохорами Mad белков неизвестно.Однако, несоединенные кинетохоры являются повсюду местами постоянной сборки и высвобождения Mad2–Cdc20 комплексов, которые предупреждают активацию APC/CCdc20. После присоединения последней кинетохоры продукция ингибирующих Mad2–Cdc20 комплексов затихает, что позволяет Cdc20 диссоциировать от Mad2 и активировать APC/C; в результате, securin деградирует и анафаза начинается( Рис.4). Многие киназы локализуются на центромерах/кинетохорах, пока неясно как они взаимодействуют др. с др. Клетки млекопитающих экспрессируют два члена семейства Bub1 (Bub1 and BubR1). Вряд ли они redundant, т.к. обе Bub1 и BubR1 необходимы для передачи сигналов checkpoint. Обе киназы рекрутируются неприсоединннеыми кинетохрами в ассоцииации с Bub3, WD-repeat-содержащим субстратом. Функционирует ли Bub3 как регуляторная субъединица или нижестоящий эффектор, неизвестно. Неизвестна и точная функция киназ семейства Mps1p. Предполагается, что Mps1p и Bub1p кооперируются, чтобы создать анафазу-ингибирующий сигнал и это м.б. связано с фосфорилированием Mad1p. Избыточная экспрессия Mps1p iвызывает арест в M-phase , воспроизводя активацию checkpoint. Однако остаются неииследованными предполагаемые члены семейства Mps1/Mph1 у млекопитающих, TTK человека и Esk мыши. The spindle-positioning checkpoint.Существование такого checkpoint доказано
у S. cerevisiae . Первым компонентом
этого пути был Bub2p, a spindle-pole-associated субъединица
двух-компонентного GTPase-activating protein (GAP).
Этот GAP подавляет активность малой GTPase ( Tem1p), которая функционирует на
ранних ступенях пути, контролирующего
выход из митоза (Рис. 5). Ниже активной Tem1p, несколько киназ
кооперируют в т. наз. mitotic exit network (MEN), чтобы
активировать фосфатазу Cdc14p. Последняя
затем действует не только как активатор
APC/CCdh1, но и дефосфорилирует Cdk1-ингибитор Sic1p (causing its stabilization) и
транскрипционный фактор Swi5p (enhancing the production of Sic1p), вызывая
тем самым инактивирование Cdk1 почкующихся
дрожжей с помощью трех комплементарных
механизмов
Signalling cytokinesisPlks и B-type aurora киназы участвуют в контроле
цитокинеза. have been implicated
in the control of cytokinesis. У S. pombe Plo1p функционирует high up в SIN пути,
в клетках Drosophila и млекопитающих
также подтверждается идея, что
Plks являются вышестоящими регуляторами
цитокинеза. Субстрат Plk не
идентифицирован, но возможно что
наблюдаемые дефекты цитокинеза у
мутантов результат неправильной
локализации и/или нарушения функции KRP MKLP-1/Pavarotti или cytoskeleton-associated белка Mid1p. Известно, что Cdc5p необходим для
генерирования сигнала выхода из митоза через
путь MEN.
Роль B-type aurora киназ в цитокинезе подтвержадется тем, что избыточная экспрессия каталитичски неактивной aurora-B нарушает образование борозды дробления в клетках млекопитающих и сегрегацию хромосом и цитокинез у C. elegans. Сходный фенотип наблюдается при элиминации белка Bir1 с помощью RNAi. Survivin, потенциальный гомлог Bir1 млекопитающих, участвует в защите клеток от апоптоза. B-type aurora киназа и survivin могли бы пролить свет на связь между анеуплоидией, апоптозом и туморогенезом. Mitotic kinases in cancerИсходя из центральной роли
фосфорилирования в митотических
checkpoints, spindle function и chromosome segregation,
неудивительно, что различные
митотические киназы участвуют в
туморогенезе. Напр., aurora киназы
картируются в областях хромосом, часто
нарушаемых при опухолях (aurora-A, 20q13.2–q.13.3; aurora-B,
17p13; aurora-C, 19q13.3-ter). Aurora-A избыточно
экспрессируется во многих первичных
опухолях и способна трансформировать
клетки и является подходящим геном на
роль 20q13.2 amplicon.
Сходным образом, Plk1 м. трансформировать клетки грызунов и часто избыточно экспрессируется в опухолях. Наконец, доминантно действующие Bub1 мутации идентифицированы в некоторых линиях colorectal опухолевых клеток. |