Wie Zellen ihre zentrale Verarbeitungseinheit für die Zellteilung aufrechterhalten

Dortmunder Max-Planck-Forschende haben die Rolle des Enzyms PLK1 bei der Regulierung der Wiederherstellung von Zentromeren nach der Zellteilung aufgedeckt.

Das Zentromer ist die Schaltzentrale der Zellteilung. Dieser spezialisierte Ort in der DNA bleibt über viele Zellgenerationen hinweg unverändert. Das Zentromer wird vom Zentromerprotein A (CENP-A) markiert, das andere, für die Zellteilung notwendige Akteure mobilisiert. „Eine der grundlegenden Fragen der Reproduktion des Lebens ist, welcher Mechanismus es dieser Struktur (dem CENP-A-Marker) ermöglicht, sich in jedem Zellzyklus exakt wiederherzustellen“, sagt Prof. Dr. Andrea Musacchio vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund. Musacchio und sein Team konnten nun den genauen molekularen Mechanismus der Wiederherstellung aufklären. Mit einer Reihe biochemischer Techniken konnten sie zeigen, wie das Protein Polo-like kinase 1 (PLK1) den Aufbau der Maschinerie reguliert, die für das Nachladen von CENP-A verantwortlich ist.

Eine Kaskade von Ereignissen

„Wir haben eine 10 Jahre alte Wissenslücke geschlossen“, sagt Duccio Conti, Postdoc in der Gruppe von Musacchio und Erstautor der Veröffentlichung. Bei der DNA-Replikation in gesunden Zellen erhält jedes neue Chromosom pro Zentromer zunächst die Hälfte der CENP-A-Proteine, die kurz nach der Teilung wieder aufgefüllt werden. In Krebszellen ist dieser Prozess hingegen völlig unreguliert. Es ist bekannt, dass ein Enzym namens CDK1 das Nachladen von CENP-A während des größten Teils des Zellzyklus verhindert, während das Enzym PLK1 das Auffüllen zu einem bestimmten Zeitpunkt im Zellzyklus fördert. Die genauen molekularen Wirkungen von PLK1 waren bisher jedoch unbekannt.

PLK1 ist an vielen Prozessen innerhalb der Zelle beteiligt, so dass der übliche Ansatz, es ganz zu hemmen, seine Funktion gestört hätte. „Die größte Herausforderung bestand darin, nur die spezifische Funktion von PLK1 zu isolieren, die mit dem Nachladen von CENP-A zusammenhängt“, sagt Conti. Basierend auf den Erkenntnissen früherer Arbeiten, bauten die MPI-Forschenden PLK1 und die gesamte Auffüllmaschinerie im Reagenzglas nach und führten Mutationen an bestimmten Stellen der Proteine ein. So konnten sie herausfinden, ob und wie die Proteine an dem Prozess beteiligt sind. Anschließend bestätigten sie ihre Ergebnisse in Zellen mit Hilfe von zellbiologischen Assays.

„Es stellte sich heraus, dass PLK1 an eine der Komponenten des Auffüllapparats (ein Komplex aus vier Proteinen) bindet, damit sich ein Proteinarm öffnet, der das Chaperonprotein HJURP, das letzte Element der Maschinerie, binden kann. Dieses hält CENP-A im Zytoplasma löslich und stabil“, sagt Conti. PLK1 setzt die Kaskade von Ereignissen in Gang, indem es eine Reihe von chemischen (Phosphorylierung) und strukturellen Veränderungen bei den benachbarten Proteinen der Maschinerie auslöst. „Diese Entdeckung“, fügt Conti hinzu, „ebnet den Weg für neue Fragen über PLK1 und wie es daran beteiligt ist, neue CENP-A-Proteine in das Zentromer einzufügen.“

Originalpublikation:

Conti D, Verza AE, Pesenti ME, Cmentowski V, Vetter IR, Pan D, Musacchio A (2024). Role of protein kinase PLK1 in the epigenetic maintenance of centromeres. Science

Doi: 10.1126/science.ado5178

Weitere Informationen:

https://www.mpi-dortmund.mpg.de/aktuelles/wie-zellen-ihre-zentrale-verarbeitungs…