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Polo-like kinase 1 regulates the stability of the mitotic centromere-associated kinesin in mitosis
(2014)
Proper bi-orientation of chromosomes is critical for the accurate segregation of chromosomes in mitosis. A key regulator of this process is MCAK, the mitotic centromere-associated kinesin. During mitosis the activity and localization of MCAK are regulated by mitotic key kinases including Plk1 and Aurora B. We show here that S621 in the MCAK’s C-terminal domain is the major phosphorylation site for Plk1. This phosphorylation regulates MCAK’s stability and facilitates its recognition by the ubiquitin/proteasome dependent APC/CCdc20 pathway leading to its D-box dependent degradation in mitosis. While phosphorylation of S621 does not directly affect its microtubule depolymerising activity, loss of Plk1 phosphorylation on S621 indirectly enhances its depolymerization activity in vivo by stabilizing MCAK, leading to an increased level of protein. Interfering with phosphorylation at S621 causes spindle formation defects and chromosome misalignments. Therefore, this study suggests a new mechanism by which Plk1 regulates MCAK: by regulating its degradation and hence controlling its turnover in mitosis.
The inability to faithfully segregate chromosomes in mitosis results in chromosome instability, a hallmark of solid tumors. Disruption of microtubule dynamics contributes highly to mitotic chromosome instability. The kinesin-13 family is critical in the regulation of microtubule dynamics and the best characterized member of the family, the mitotic centromere-associated kinesin (MCAK), has recently been attracting enormous attention. MCAK regulates microtubule dynamics as a potent depolymerizer of microtubules by removing tubulin subunits from the polymer end. This depolymerizing activity plays pivotal roles in spindle formation, in correcting erroneous attachments of microtubule-kinetochore and in chromosome movement. Thus, the accurate regulation of MCAK is important for ensuring the faithful segregation of chromosomes in mitosis and for safeguarding chromosome stability. In this review we summarize recent data concerning the regulation of MCAK by mitotic kinases, Aurora A/B, Polo-like kinase 1 and cyclin-dependent kinase 1. We propose a molecular model of the regulation of MCAK by these mitotic kinases and relevant phosphatases throughout mitosis. An ever-increasing quantity of data indicates that MCAK is aberrantly regulated in cancer cells. This deregulation is linked to increased malignance, invasiveness, metastasis and drug resistance, most probably due to increased chromosomal instability and remodeling of the microtubule cytoskeleton in cancer cells. Most interestingly, recent observations suggest that MCAK could be a novel molecular target for cancer therapy, as a new cancer antigen or as a mitotic regulator. This collection of new data indicates that MCAK could be a new star in the cancer research sky due to its critical roles in the control of genome stability and the cytoskeleton. Further investigations are required to dissect the fine details of the regulation of MCAK throughout mitosis and its involvements in oncogenesis.
Die wichtigste Aufgabe der mitotischen Spindel ist die genaue Segregation der duplizierten Chromosomen in der Mitose. Diese dynamische Struktur wird von sich teilenden Zellen gebildet, um die Bewegung der Chromosomen, das Markenzeichen der Mitose, zu dirigieren. Trotz aller Unterschiede in Form und Größe der Spindeln unterschiedlicher Zelltypen, haben alle eukaryontischen Spindeln fundamentale strukturelle Eigenschaften gemeinsam. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist die bipolare Symmetrie. Innerhalb der Spindel sind unterschiedliche Klassen der Mikrotubuli vorhanden, die durch ihre Organisation und durch ihre dynamischen Eigenschaften unterteilt sind. Alle Klassen der Mikrotubuli zeigen dynamische Instabilität. Dennoch weisen die Kinetochor-Mikrotubuli und die Spindel-Mikrotubuli zusätzlich ein anderes Verhalten auf, das als polwärts gerichteter Mikrotubuli-Flux ("Poleward Microtubule Flux") bezeichnet wird. Dabei werden die Tubulin-Untereinheiten stetig an den Plus-Enden der Mikrotubuli eingefügt und dann zu den Minus-Enden getragen, wo sie abgebaut werden. Dieser polwärts gerichtete Mikrotubuli-Flux ist für die Segregation der Chromosomen von großer Bedeutung. Mehrere regulatorische Proteine der Mikrotubuli, einschließlich der destabilisierenden und der depolymerisierenden Proteine, steuern die Dynamik dieser Mikrotubuli, um eine fehlerfreie Bildung der Spindel und eine korrekte Segregation der Chromosomen gewährleisten zu können. Die Kinesin-13 Familie der Depolymerasen gehört zu den prominentesten Modulatoren der Dynamik der Mikrotubuli. Das am Besten charakterisierte und intensiv studierte Mitglied dieser Familie ist das Protein KIF2C/MCAK. Aufgrund der unterschiedlichen Lokalisationen von MCAK während der Mitose, an den Spindelpolen, an den Chromosomen-Armen, an den Centromeren/Kinetochoren, kann MCAK eine Reihe an wichtigen Funktionen erzielen. Allerdings bleibt die Korrektur von Kinetochor-Mikrotubuli Fehlverknüpfungen die wichtigste Aufgabe von MCAK während der Mitose. Diese wesentliche Funktion steht unter der Kontrolle von Aurora B. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass MCAK während der Mitose auch von einem wichtigen Komplex, dem Cyclin B1/CDK1 Komplex, reguliert wird. In der Tat steuert die Kinase CDK1 sowohl die Lokalisation als auch die katalytische Aktivität von MCAK. Mit Hilfe einer systematischen Reihe an Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass MCAK sowohl in vitro als auch in vivo von CDK1 phosphoryliert wird. CDK1 phosphoryliert den katalytischen Bereich von MCAK genau am Threonin 537 und führt zu einer deutlichen Abnahme der Depolymerisierungsaktivität von MCAK in vitro und in humanen Zellen. Diese Inhibition erfolgt wahrscheinlich durch eine Reduzierung der Affinität von MCAK zu den Mikrotubuli-Enden. Die Expression der Phosphostatus-vortäuschenden Mutante T537E in HeLa-Zellen verursachte eine fehlerhafte Verteilung der Chromosomen in der Mitose. Die Chromosomen waren in Anwesenheit der T537E Mutante nicht mehr in der Lage, sich auf der Metaphaseplatte anzuordnen. Darüber hinaus führte die Expression von T537E zu einer signifikanten Reduzierung des centromerischen Abstandes, was auf eine Anhäufung von Kinetochor-Mikrotubuli Fehlverknüpfungen hindeutet. Ferner zeigt die Expression der nichtphosphorylierbaren Mutante T537A in den HeLa-Zellen eine verstärkte Lokalisation an den Spindelpolen, was zum Auftreten von erheblichen Spindel-Aberrationen führte. Basierend auf den Daten der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, in dem die Phosphorylierung von MCAK durch CDK1 früh in der Mitose stattfinden muss, um einerseits MCAK zu inaktivieren und andererseits diese Depolymerase aus den Spindelpolen zu verdrängen. Beide Ereignisse sind für den Aufbau einer bipolaren Spindel unentbehrlich. Zu späteren Zeitpunkten der Mitose muss das Threonin 537 dephosphoryliert werden, um eine Reaktivierung von MCAK an den Centrosomen/Kinetochoren zu ermöglichen. Dies wird die Korrektur-Funktion für Kinetochor-Mikrotubuli Fehlverknüpfungen von MCAK wiederherstellen, was eine korrekte Anordnung der Chromosomen auf der Metaphaseplatte fördert.