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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.
The multifunctional protein p21Cip1/CDKN1A (p21) is an important and universal Cdk-interacting protein. Recently, we have reported that p21 is involved in the regulation of the mitotic kinase Cdk1/cyclin B1 and critical for successful mitosis and cytokinesis. In the present work we show that S130 of p21 is phosphorylated by Cdk1/cyclin B1 during mitosis, which reduces p21’s stability and binding affinity to Cdk1/cyclin B1. Interfering with this phosphorylation results in extended mitotic duration and defective chromosome segregation, indicating that this regulation ensures proper mitotic progression. Given that p53, the major transcriptional activator of p21, is the most frequently mutated gene in human cancer and that deregulated Cdk1 associates with the development of different types of cancer, this work provides new insight into the understanding of how deregulated p21 contributes to chromosomal instability and oncogenesis.
The mitotic spindle assembly checkpoint (SAC) maintains genome stability and marks an important target for antineoplastic therapies. However, it has remained unclear how cells execute cell fate decisions under conditions of SAC‐induced mitotic arrest. Here, we identify USP9X as the mitotic deubiquitinase of the X‐linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) and demonstrate that deubiquitylation and stabilization of XIAP by USP9X lead to increased resistance toward mitotic spindle poisons. We find that primary human aggressive B‐cell lymphoma samples exhibit high USP9X expression that correlate with XIAP overexpression. We show that high USP9X/XIAP expression is associated with shorter event‐free survival in patients treated with spindle poison‐containing chemotherapy. Accordingly, aggressive B‐cell lymphoma lines with USP9X and associated XIAP overexpression exhibit increased chemoresistance, reversed by specific inhibition of either USP9X or XIAP. Moreover, knockdown of USP9X or XIAP significantly delays lymphoma development and increases sensitivity to spindle poisons in a murine Eμ‐Myc lymphoma model. Together, we specify the USP9X–XIAP axis as a regulator of the mitotic cell fate decision and propose that USP9X and XIAP are potential prognostic biomarkers and therapeutic targets in aggressive B‐cell lymphoma.
Polo-like kinase 1 inhibition sensitizes neuroblastoma cells for vinca alkaloid-induced apoptosis
(2015)
High polo-like kinase 1 (PLK1) expression has been linked to poor outcome in neuroblastoma (NB), indicating that it represents a relevant therapeutic target in this malignancy. Here, we identify a synergistic induction of apoptosis by the PLK1 inhibitor BI 2536 and vinca alkaloids in NB cells. Synergistic drug interaction of BI 2536 together with vincristine (VCR), vinblastine (VBL) or vinorelbine (VNR) is confirmed by calculation of combination index (CI). Also, BI 2536 and VCR act in concert to reduce long-term clonogenic survival. Importantly, BI 2536 significantly enhances the antitumor activity of VCR in an in vivo model of NB. Mechanistically, BI 2536/VCR co-treatment triggers prolonged mitotic arrest, which is necessary for BI 2536/VCR-mediated apoptosis, since pharmacological inhibition of mitotic arrest by the CDK1 inhibitor RO-3306 significantly reduces cell death. Prolonged mitotic arrest leads to phosphorylation-mediated inactivation of BCL-2 and BCL-XL as well as downregulation of MCL-1, since inhibition of mitotic arrest by RO-3306 also prevents phosphorylation of BCL-2 and BCL-XL and MCL-1 downregulation. This inactivation of antiapoptotic BCL-2 proteins promotes activation of BAX and BAK, cleavage of caspase-9 and -3 and caspase-dependent apoptosis. Engagement of the mitochondrial pathway of apoptosis is critically required for BI 2536/VCR-induced apoptosis, since ectopic expression of a non-degradable MCL-1 phospho-mutant, BCL-2 overexpression or BAK knockdown significantly reduce BI 2536/VCR-mediated apoptosis. Thus, PLK1 inhibitors may open new perspectives for chemosensitization of NB.
Acute myeloid leukemia (AML) is characterized by uncontrolled proliferation and accumulation of immature myeloblasts, which impair normal hematopoiesis. While this definition categorizes the disease into a distinctive group, the large number of different genetic and epigenetic alterations actually suggests that AML is not a single disease, but a plethora of malignancies. Still, most AML patients are not treated with targeted medication but rather by uniform approaches such as chemotherapy. The identification of novel treatment options likely requires the identification of cancer cell vulnerabilities that take into account the different genetic and epigenetic make-up of the individual tumors. Here we show that STK3 depletion by knock-down, knock-out or chemical inhibition results in apoptotic cells death in some but not all AML cell lines and primary cells tested. This effect is mediated by a premature activation of cyclin dependent kinase 1 (CDK1) in presence of elevated cyclin B1 levels. The anti-leukemic effects seen in both bulk and progenitor AML cells suggests that STK3 might be a promising target in a subset of AML patients.