Las quinasas tipo Polo ( Plks ) son quinasas de serina/treonina reguladoras del ciclo celular involucradas en la entrada mitótica, salida mitótica, formación del huso, citocinesis y meiosis. [1] Solo una Plk se encuentra en los genomas de la mosca Drosophila melanogaster (Polo), levadura en gemación (Cdc5) y levadura de fisión (Plo1). [1] Sin embargo, los vertebrados y otros animales tienen muchos miembros de la familia Plk, incluidos Plk1 (Xenopus Plx1), Plk2/Snk (Xenopus Plx2), Plk3/Prk/FnK (Xenopus Plx3), Plk4/Sak y Plk5. [1] De los miembros de la familia Plk de vertebrados, la Plk1 de mamíferos ha sido la más estudiada. Durante la mitosis y la citocinesis, las Plks se asocian con varias estructuras, incluido el centrosoma, los cinetocoros y el huso central.
El dominio catalítico de la serina/treonina quinasa de Plk se encuentra en el extremo N de la proteína quinasa tipo polo. [1] Un dominio regulador que contiene dos motivos característicos, conocidos como dominios de caja polo, se encuentra en el extremo C. [1] El dominio de caja polo (PBD) ayuda con la especificidad del sustrato y localiza a Plk en estructuras mitóticas específicas durante la mitosis. [1] Estas incluyen los centrosomas en la fase M temprana, la zona media del huso en la anafase temprana y tardía y el cuerpo medio durante la citocinesis. [2]
Las Plks se controlan a nivel de síntesis y degradación de proteínas, por la acción de quinasas y fosfatasas ascendentes, y por localización en estructuras subcelulares específicas. Las Plks se activan por fosforilación dentro de una región corta del dominio catalítico llamada bucle T (o bucle de activación ), con varios sitios de fosforilación de serina/treonina en el bucle identificados. [3] Se ha demostrado que la quinasa tipo polo quinasa 1 (Plkk1) y la proteína quinasa A (PKA) pueden fosforilar Plk1 in vitro [4] . El dominio polo-box (PBD) de Plk1 es un motivo de unión a fosfopéptidos. [5] Esto significa que en ausencia de un ligando fosforilado, el PBD interactúa con el dominio catalítico evitando así la unión del sustrato o la activación de la quinasa. La ocupación del PBD por un ligando fosfopeptídico exógeno provocaría entonces la liberación del dominio catalítico, que, junto con la fosforilación en el bucle T, convierte a Plk en la forma activa. [6] Al salir de la mitosis, las Plks se degradan proteolíticamente a través de la vía ubiquitina-proteasoma después de entrar en contacto con el complejo promotor de anafase (APC) de la ubiquitina-ligasa. [7]
Se ha descubierto que las Plks cooperan con las Cdks en la orquestación de la división celular. La entrada en la fase M se controla a través de la activación de la cinasa dependiente de ciclina 1 ( CDK1 )–ciclina B, y Cdc25 es una fosfatasa que desfosforila Cdk1 para promover la entrada mitótica. Plk1 se une a Cdc25 fosforilado a través de su PBD. [8] Por lo tanto, Plks puede fosforilar Cdc25 y, por lo tanto, regular Cdc25 e indirectamente Cdk1. Un estudio muestra que la fosforilación de un residuo de serina (Ser198) dentro de una señal de exportación nuclear de Cdc25 promueve la acumulación nuclear de Ccdc25 en humanos. [9] PBD tiene una alta afinidad por las proteínas ya fosforiladas en ciertos sitios de serina/treonina. [3] Esto requiere la preparación de sustratos por parte de la propia Plk u otras cinasas como Cdk1 para crear un sitio de acoplamiento. Sin embargo, también podría haber aspectos estructurales independientes de la fosforilación que contribuyan a la unión. Plo1 (el Plk que se encuentra en la levadura de fisión) es parte de un ciclo de retroalimentación positiva que controla la expresión de genes necesarios para la división celular.
También se ha demostrado que Plk es necesaria en la transición G2/M. La formación de polos del huso necesita Plk1, y algunas proteínas como la gamma-tubulina no logran reclutar polos del huso en ausencia de Plk1 para la maduración del centrosoma. También se han identificado otros sustratos y socios de unión potenciales de Plk1 que están implicados en la nucleación y dinámica de los microtúbulos, incluida la proteína que corta los microtúbulos katanina [10] , la proteína estabilizadora de microtúbulos TCTP [11] y la proteína desestabilizadora de microtúbulos estatmina [12] .
La plk también es necesaria para la separación exitosa de los cromosomas y la salida de la mitosis. La plk coopera con la cdk1 en el control de varias subunidades de la APC. [3] La plk1 humana fosforila el inhibidor mitótico temprano 1 (EMI1), un inhibidor de la APC. [13] El deterioro de la función de la plk generalmente interfiere con el inicio normal de la anafase, lo que indica que la plk contribuye al control de la actividad de la APC. La plk1 se asocia con los cinetocoros durante la mitosis. En ausencia de la función de la plk1, no se produce la formación del huso bipolar y las células se detienen en la prometafase debido a la activación del punto de control de ensamblaje del huso. La función de la plk1 puede ser importante para aliviar la señal del punto de control inhibidor. De ser así, la plk1 podría contribuir a la reanudación de la progresión mitótica tras la unión completa de todos los cromosomas al aparato del huso.
Los modelos de mosca y levadura han revelado que las quinasas Polo coordinan el patrón más complejo de segregación cromosómica en la meiosis. La Cdc5 de la levadura en ciernes es necesaria en la meiosis I para la eliminación de cohesinas de los brazos cromosómicos, para la coorientación de cromosomas homólogos y para la resolución de entrecruzamientos. [14] La Cdc5 (Plk que se encuentra en la levadura en ciernes) fosforila directamente la cohesina meiótica y promueve su disociación de los brazos cromosómicos para permitir la recombinación, pero no de la región centromérica en la meiosis I. En algunos mutantes de cdc5 de la levadura, la unión bipolar en lugar de monopolar de los cinetocoros hermanos ocurre durante la meiosis I porque un complejo de proteínas llamadas monopolinas no logra localizarse en el cinetocoro. [15]
La participación de las quinasas Polo en el proceso de citocinesis se demostró por primera vez en la levadura de fisión, en la que la sobreexpresión de Plo1 impulsa la septación en cualquier etapa del ciclo celular y los mutantes plo1 no logran septar. [16] Se ha demostrado que una proteína llamada Mid1 determina dónde se forman los anillos contráctiles y se lanza fuera del núcleo debido a la fosforilación de Plk. [17] Estudios recientes sobre el papel de Plk1 de mamíferos en la citocinesis también han identificado al motor relacionado con la kinesina Mklp2 y al subcomponente de dineína NudC como sustratos potenciales de Plk1 que interactúan con el PBD. [18] Tanto Mklp2 como NudC tienen actividad de proteína motora asociada y ambos se localizan en el huso central. Se ha descubierto que PLK1 fosforila la subunidad CYK4 del huso central en la zona media del huso, lo que permite el reclutamiento del factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) ECT2 para promover la activación de RhoA y, por lo tanto, la contracción de actomiosina del anillo. [19]