Las quinasas tipo polo ( Plks ) son serina/treonina quinasas reguladoras del ciclo celular implicadas en la entrada y salida mitótica, la formación del huso, la citocinesis y la meiosis. [1] Sólo se encuentra una Plk en los genomas de la mosca Drosophila melanogaster (Polo), la levadura en ciernes (Cdc5) y la 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, el mamífero Plk1 ha sido el más estudiado. Durante la mitosis y la citocinesis, las Plks se asocian con varias estructuras, incluidos el centrosoma, los cinetocoros y el huso central.
El dominio catalítico de 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 de polo, se encuentra en el extremo C-terminal. [1] El dominio polo-box (PBD) ayuda con la especificidad del sustrato y localiza Plk en estructuras mitóticas específicas durante la mitosis. [1] Estos incluyen los centrosomas en la fase M temprana, la zona media del huso en la anafase temprana y tardía y la parte media del cuerpo durante la citocinesis. [2]
Las plks se controlan a nivel de síntesis y degradación de proteínas, por la acción de quinasas y fosfatasas aguas arriba y por localización en estructuras subcelulares específicas. Las plks se activan mediante 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 quinasa 1 tipo Polo (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 fosfopéptido exógeno provocaría la liberación del dominio catalítico que, junto con la fosforilación en el bucle T, convierte Plk a la forma activa. [6] Al salir de la mitosis, las Plks se degradan proteolíticamente a través de la vía ubiquitina-proteosoma después de entrar en contacto con el complejo promotor de la anafase (APC) ubiquitina-ligasa. [7]
Se ha descubierto que Plks coopera con Cdks en la orquestación de la división celular. La entrada a la fase M se controla mediante la activación de la quinasa 1 dependiente de ciclina ( CDK1 ) –ciclina B, y Cdc25 es una fosfatasa que desfosforila Cdk1 para promover la entrada mitótica. Plk1 se une a Cdc25 fosforilada a través de su PBD. [8] Por lo tanto, Plks puede fosforilar Cdc25 y así 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 proteínas ya fosforiladas en ciertos sitios de serina/treonina. [3] Esto requiere la imprimación de los sustratos mediante la propia Plk u otras quinasas 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 (la Plk que se encuentra en la levadura de fisión) es parte de un circuito de retroalimentación positiva que controla la expresión de genes necesarios para la división celular.
También se ha demostrado que Plk es necesario 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 varios otros sustratos potenciales de Plk1 y socios de unión que están implicados en la nucleación y dinámica de los microtúbulos, incluida la proteína katanina que corta los microtúbulos, [10] la proteína estabilizadora de microtúbulos TCTP [11] y la proteína estatmina que desestabiliza los microtúbulos. [12]
Plk también es necesaria para la separación exitosa de los cromosomas y la salida de la mitosis. Plk coopera con Cdk1 en el control de varias subunidades de APC. [3] La PLK1 humana fosforila el inhibidor mitótico temprano 1 (EMI1), un inhibidor de la APC. [13] El deterioro de la función Plk generalmente interfiere con el inicio normal de la anafase, lo que indica que las Plks contribuyen al control de la actividad de APC. Plk1 se asocia con cinetocoros durante la mitosis. En ausencia de la función 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 del ensamblaje del huso. La función Plk1 puede ser importante para aliviar la señal del punto de control inhibidor. Si es así, Plk1 podría contribuir a la reanudación de la progresión mitótica al completar la unión de todos los cromosomas al aparato del huso.
Los modelos de moscas y levaduras han revelado que las Polo quinasas coordinan el patrón más complejo de segregación cromosómica en la meiosis. La levadura en ciernes Cdc5 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 cruces. [14] 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 levadura, la unión bipolar en lugar de monopolar de Los cinetocoros hermanos ocurren durante la meiosis I porque un complejo de proteínas llamadas monopolinas no logra localizarse en el cinetocoro. [15]
La participación de las Polo quinasas en el proceso de citocinesis se demostró por primera vez en levaduras de fisión, en las que la sobreexpresión de Plo1 impulsa la septación en cualquier etapa del ciclo celular y los mutantes de plo1 no logran septar. [16] Se ha demostrado que una proteína llamada Mid1 determina dónde se forma el anillo contráctil y sale del núcleo debido a la fosforilación de Plk. [17] Estudios recientes sobre el papel de Plk1 de mamíferos en la citocinesis también han identificado el motor Mklp2 relacionado con la cinesina y el 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 centralspindlin CYK4 en la zona media del huso, lo que permite el reclutamiento del factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) Rho ECT2 para promover la activación de RhoA y, por lo tanto, la contracción de actomiosina del anillo. [19]