Kinesinliknande protein KIF11

"BimC" omdirigerar hit. För det amerikanska utrikesdepartementets anläggning, se Beltsville Information Management Center .
KIF11
PDB 1ii6 EBI.jpg
Tillgängliga strukturer
PDB Ortologisk sökning:
Identifierare
, EG5, HKSP, KNSL1, MCLMR, TRIP5, Kinesin familjemedlem 11
externa ID:n
Ortologer
Arter Mänsklig Mus
Entrez
Ensembl
UniProt
RefSeq (mRNA)

RefSeq (protein)

Plats (UCSC)
PubMed -sökning
Wikidata
Visa/redigera människa Visa/redigera mus

Kinesinliknande protein KIF11 är ett molekylärt motorprotein som är väsentligt vid mitos . Hos människor kodas det för av genen KIF11 . Kinesinliknande protein KIF11 är en medlem av kinesin-superfamiljen , som är nanomotorer som rör sig längs mikrotubuli-spår i cellen. Namngiven från studier i början av upptäckten, är den också känd som Kinesin-5 , eller som BimC , Eg5 eller N-2 , baserat på de grundande medlemmarna av denna kinesinfamilj.

För närvarande finns det över 70 olika eukaryota kinesin-5-proteiner identifierade genom sekvenslikhet. Medlemmar av denna proteinfamilj är kända för att vara involverade i olika typer av spindeldynamik och väsentliga för mitos. Funktionen hos denna genprodukt inkluderar kromosompositionering, centrosomseparation och upprättande av en bipolär spindel under cellmitos. Det humana kinesin-5-proteinet har aktivt studerats för sin roll i mitos och dess potential som ett terapeutiskt mål för cancer .

Fungera

KIF11 (även känd som kinesin-5 och Eg5) är en homotetramer som tvärbinder antiparallella mikrotubuli i den mitotiska spindeln för att bibehålla spindelns bipolaritet. Motordomänen eller motorhuvudet är vid N-terminalen och utför ATP-hydrolys och binder till mikrotubuli. Kinesin-5-motorer sätts samman till en bipolär homotetramerisk struktur som kan glida isär buntar av antiparallellt orienterade mikrotubuli. Denna motor är väsentlig för mitos i de flesta organismer, där den deltar i självmonteringen av den mikrotubuli-baserade mitotiska spindeln, men annars krävs inte för cellviabilitet. Motorn kan också spela en roll i den korrekta utvecklingen av neuronala processer hos däggdjur, inklusive navigering och förlängning av tillväxtkoner.

Funktion vid mitos

I de flesta eukaryota celler tros Kinesin-5 bilda korsbryggor mellan par av motsatt orienterade mikrotubuli i profas och prometafas och driver isär duplicerade centrosomer under bildandet av den mitotiska spindeln. Detta tillåter upprättandet av en bipolär mikrotubulusspindelstruktur i stabilt tillstånd.

Förlust av Kinesin-5-funktion från början av mitos i de flesta undersökta eukaryota organismer, inklusive djur, växter och svampar, resulterar i katastrofalt misslyckande av mitos. Denna motors funktion är avgörande under starten av mitos, där dess funktionsförlust resulterar i kollaps, eller inversion, av spindelpolerna och lämnar centralt placerade centrosompar flankerade av en radiell uppsättning mikrotubuli med perifera kondenserade kromosomer. Det enda undantaget från denna effekt är mitos inom nematoden, C. elegans , där Kinesin-5 inte är strikt essentiellt för mitos, men ändå har avsevärd inverkan på celldelningens övergripande trohet.

Upptäckten av små kemiska hämmare av humant Kinesin-5 genom en banbrytande in vitro fenotypisk screening på cancercellinjer har lett till både utvecklingen av nya terapeutiska medel mot cancer och till nya verktyg för att undersöka mekanismen hos mikrotubuli motorproteiner. Denna verktygslåda av allosteriska inhibitorer har använts för att undersöka den specifika rollen för Kinesin-5 i mitotisk spindelmontering såväl som findissektion av motordomänfunktion. Genom detta arbete fann man att i däggdjursceller krävs Kinesin-5 för den initiala monteringen av den mitotiska spindeln under profas och prometafas, men är nödvändig för att passera efterföljande anafas under en omgång av mitos. Dessutom avbryter bindningen av Kinesin-5-hämmarna till ett allosteriskt ställe på motorn mekanismen genom vilken detta enzym omvandlar den kemiska energin av ATP-hydrolys till det mekaniska arbetet med att flytta mikrotubuli, vilket ger insikt om hur detta enzym fungerar.

Det finns många modeller som försöker förklara den mitotiska spindelns självmontering baserat på mikrotubuli som ett strukturellt element och en uppsättning mikrotubulimotorer, inklusive Kinesin-5 för att flytta och beställa dem. Många av dessa modeller försöker förklara spindelns stabila tillstånd vid metafas baserat på en förutspådd balans av motorkrafter som verkar i opposition i spindelns mikrotubuli. Ändå är det inte klart om alla strukturella element som krävs för spindelmontering är kända, eller hur motorerna, inklusive Kinesin-5, kan regleras i rum och tid. Sådana varningar gör det svårt att bedöma sådana modeller. Nya data visar emellertid att aspekter av "kraftbalanseringsmodellen" som utgår från att spindellängd och stabilitet förmedlas av en balans mellan minusänden riktad mikrotubulusglidning och plusänden riktad mikrotubulusglidning av motsatta motorer i insektsceller, verkar inte vara fallet i däggdjursceller. Processen för självmontering av den mitotiska spindeln förblir en viktig olöst fråga inom cellbiologi, och en robust modell väntar på ytterligare detaljer om regleringen och beteendet hos olika mikrotubulimotorer och strukturella element som utgör detta maskineri.

Funktion i neuroner

Även om Kinesin-5 krävs i alla celler under celldelning, verkar det inte spela någon större roll i metabolismen av de flesta celler som inte delar sig. Bland icke-delande celler är Kinesin-5 mest berikat inom neuroner, där det dekorerar de stora mikrotubuliknippena som sträcker sig in i axoner och dendriter. Det har till exempel visat sig att neuroner förblir fullt livskraftiga i bakgrunden av en knock-down av Kinesin-5, men att förändringar i neuronal utveckling och morfogenes följer. Vid utveckling av neuroner resulterar farmakologisk hämning och siRNA-nedbrytning av KIF11 i längre axoner, fler grenar, färre anfall av axonretraktion och oförmåga hos tillväxtkoner att slå på kontakt med frånstötande substrat. I migrerande neuroner gör hämning av KIF11 neuroner att migrera i ett slumpmässigt mönster och bilda kortare ledande processer. KIF11, liksom KIF15 och KIF23 , tros fungera som en begränsning av korta mikrotubuli som rör sig dubbelriktat längs axonet och utövar krafter antagonistiskt mot cytoplasmatiskt dynein . I mogna neuroner begränsar KIF11 rörelsen av korta mikrotubuli i dendriter, vilket bidrar till bildandet av karakteristisk form av dendriter. KIF11 uttrycks också i vuxna dorsalrotganglieneuroner, fastän på en mycket minskad nivå. Hos vuxna neuroner Det har en liknande effekt på att hämma hastigheten för korta mikrotubulitransporter, så farmakologisk hämning och siRNA- nedbrytning av vuxen KIF11 kan vara ett potentiellt terapeutiskt verktyg för förstärkning av vuxen axonregenerering. En tydlig roll in vivo för Kinesin-5 i neurogenes återstår dock att belysas. Att notera är att ovanliga perifera neuropatier inte har observerats hos patienter som nyligen genomgått fas I- eller fas II-studier av Kinesin-5-hämmare för potentiell cancerbehandling.

Funktionsreglering

1995 bestämdes Kinesin-5 vara posttranslationellt fosforylerad i sin C-terminala svans. När Kinesin-5 är fosforylerad vid denna rest i tidig profas, lokaliseras den till den mitotiska spindeln där den binder till mikrotubuli. En ytterligare fosfosit identifierades på Kinesin-5-svansen 2008, men endast cirka 3 % av den totala mikrotubulusassocierade Kinesin-5 är fosforylerad vid denna rest. Även om ytterligare fosfositer eller andra post-translationella modifieringar inom Kinesin-5-svansen, stjälken och motorn har identifierats, har inga andra modifieringar visat sig vara nödvändiga för Kinesin-5 för att utföra sina nödvändiga uppgifter i mitos.

Kinesin-5 regleras också genom direkt interaktion med andra proteiner. Det mikrotubuli-associerade proteinet, TPX2 , associerar med Kinesin-5 i mitos. Deras interaktion är nödvändig för Kinesin-5-lokalisering till den mitotiska spindeln, för stabilisering av spindeln och för segregering av spindelpolen. Kinesin-5 har visat sig interagera med dynactinsubenheten p150Glued såväl som många andra cellcykelrelaterade proteiner in vivo och in vitro, men ytterligare experiment behövs för att bekräfta att deras association är nödvändig för att Kinesin-5 ska fungera normalt.

Molekylär mekanism

ATP-hydrolys

Kinesin-5, som alla motorproteiner, bryter ner ATP till ADP och oorganiskt fosfat, med hjälp av en vattenmolekyl, och omvandlar den kemiska energin till kraft och rörelse längs mikrotubuli. Kinetiska experiment avslöjar hur snabbt mellansteg i katalys sker och den mest omfattande uppsättningen studier om Kinesin-5-kinetik har varit på det mänskliga proteinet. Röntgenkristallografi, kryo-elektronmikroskopi och infraröd spektroskopi i realtid har använts för att mäta strukturen av Kinesin-5 i de olika katalytiska mellantillstånden. Förändringar i den sekundära strukturen, eller konformationsväxling, krävs för att omvandla och förstärka biokemiska förändringar i det katalytiska aktiva stället till större rörelser som är nödvändiga för cellulär rörelse. Till exempel hade det första steget av ATP-hydrolys, som är attacken av det terminala fosfatet av ATP av en vattenmolekyl, inte observerats genom röntgenkristallografi i något kinesinprotein, tills nyligen i Kinesin-5. Denna kristallstruktur visade att det inte fanns en, utan snarare två, vattenmolekyler och de är i nära anslutning till varandra. En tvåvattens katalytisk modell föreslogs och bekräftades med en alternativ metod för att spåra Kinesin-5-katalys i realtid och i ett kinesinprotein i en annan underfamilj. Katalytiska tvåvattenmodeller föreslås också i ett divergerande motorprotein, myosin, och observeras experimentellt i en av dess kristallstrukturer.

Mekaniska egenskaper

Den antiparallella tetrameriska organisationen av Kinesin-5-familjen skiljer sig fundamentalt från majoriteten av andra kinesiner som är dimerer, såsom den välkarakteriserade konventionella Kinesin-1 ( KIF5B ). Konventionellt kinesin dimeriserar på ett sådant sätt att de katalytiska (huvud)domänerna är tillsammans i ena änden av komplexet för att underlätta hand-över-hand-rörelse längs en mikrotubuli som möjliggör långväga, riktad transport av cellulära laster. Den unika sammansättningen av Kinesin-5-proteiner organiserar inte bara proteinkomplexet för en annan cellulär funktion (antiparallell mikrotubulusglidning, beskriven ovan) utan gjorde det också svårt att studera motorns mekaniska egenskaper med hjälp av de klassiska experimenten som designades för dimera kinesiner . Dessa hinder har övervunnits genom att antingen anpassa de ursprungliga experimenten för att analysera den tetrameriska organisationen av Kinesin-5, eller genom att arbeta med kortare Kinesin-5-proteiner som bildar dimerer som konventionellt kinesin.

De mest slående resultaten av analysen av Kinesin-5-rörlighet är att den är långsam – cirka 10 gånger långsammare än konventionell Kinesin-1 – med en hastighet i intervallet 50 nanometer per sekund och att den kan generera mycket höga nivåer av mekanisk kraft (7-9 picoNewton per molekyl). Dessa värden kommer från tre typer av experimentella data: mikrotubuliglidningsanalyser, enmolekylmotilitetsanalyser och optiska fällanalyser . I mikrotubuli-glidanalyser fästs kinesiner på en glasyta och mikrotubuli läggs ner över toppen. Eftersom motorerna är fästa vid glaset, översätts deras rörliga beteende till rörelse av mikrotubuli över de förankrade kinesinerna, som liknar någon som surfar på folkmassan . Dessa experiment gav oss den första analysen av Kinesin-5-rörlighet.

Mikrotubuli glidning av Kinesin-5

Genom att först fästa mikrotubuli på glasytan och sedan lägga till Kinesin-5 med fria mikrotubuli i lösning, var det möjligt att anpassa mikrotubuliglidanalyserna för att visa att Kinesin-5 kan tvärbinda två mikrotubuli och flytta dem i motsatta riktningar. Detta experiment visade att Kinesin-5 verkligen var kapabel att utföra den roll som hade föreslagits för den i mitos - att glida motsatt orienterade mikrotubuli i den mitotiska spindeln. För att studera beteendet hos individuella Kinesin-5-molekyler utfördes analys av singelmolekylmotilitet genom att fästa mikrotubuli på en glasyta och sedan tillsätta en utspädd lösning av Kinesin-5 med en fluorofor fäst . Denna experimentella uppställning gör det möjligt för observatören att följa separata Kinesin-5-molekyler när de "går" längs mikrotubuli, vilket ger inte bara information om hastighet, utan också om processivitet - förmågan hos en kinesin att ta flera steg längs mikrotubuli utan att dissociera. Kinesin-5 i denna inställning har visat dubbelriktad. Därmed kan den "gå" åt båda hållen. Växlingen av riktningen styrs med hög precision. I singelmolekylmotilitetsanalyser liknade hastigheterna för Kinesin-5 de som sågs i mikrotubuliglidanalyser, och motorn observerades vara svagt processiv. I experiment med optiska fällor fästs Kinesin-5-molekyler på en pärla som kan hållas på plats med en finfokuserad laser. Genom att flytta pärlan nära en mikrotubuli kan kinesin binda till mikrotubuli och börja kliva och dra pärlan bakom sig. Eftersom kulan hålls på plats av fälllasern, fungerar den som en fjäder och utövar en kraft som motstår kinesinets framåtrörelse. Detta möjliggör mätning av stallkraften – den maximala mängd kraft som kan utövas av en motor innan den släpper från mikrotubuli. Experiment med optiska fällor visade att Kinesin-5 genererar maximalt 7 picoNewtons kraft innan den släpps, men att dess beteende skiljer sig från det hos andra kinesiner genom att det inte fanns någon observerbar platåfas där motorn "kämpar" vid sin maximala kraftgenerering innan släppa taget. Extrapolering av kinetiska data tyder på att den maximala observerade kraften som genereras i den optiska fällan av Kinesin-5 faktiskt är en underskattning och att den teoretiskt sett kan utöva upp till 9 picoNewtons kraft som ett maximum, även om ytterligare experimentellt arbete krävs för att testa detta.

Farmakologiska hämmare

Inhibitorer av KIF11 har utvecklats som kemoterapeutiska medel vid behandling av cancer. Läkemedel som specifikt hämmar endast humant Kinesin-5 är alternativ till taxanerna och vinc-alkaloiderna som riktar sig mot mikrotubuli, och därmed alla celler, och som för närvarande används kliniskt. Hämning av Kinesin-5 gör att celler genomgår mitotiskt arrest, genomgår apoptos och bildar monoaster-spindlar. Den första KIF11-hämmaren, monastrol , upptäcktes i en kemisk screening av ett stort bibliotek av cellpermeabla föreningar. Sedan dess har över 100 olika kemiska klasser av allosteriska hämmare identifierats i den vetenskapliga litteraturen och de har ett brett spektrum av styrka mot humant Kinesin-5. Vanliga KIF11-hämmare inkluderar:

  • kloster ,
  • S-Trityl-L-cystein (STLC),
  • HR22C16, och
  • CK0106023.

Majoriteten av humana Kinesin-5-hämmare är selektiva, eftersom de binder till en "hot spot", som består av rester från α2- och α3-helixarna och en flexibel L5-loop på ytan av den motoriska domänen. Denna L5-loop har hög sekvensvariabilitet bland Kinesin-5-ortologerna och andra kinesiner inom superfamiljen. L5-slingan i humant Kinesin-5 sluter sig runt inhibitorn och är öppen i frånvaro av inhibitor. Dessa strukturella förändringar är korrelerade med andra förändringar i det katalytiskt aktiva stället. Andra ställen för inhibitorbindning har identifierats i den humana Kinesin-5-motordomänen. För inhibitorer som binder till L5-fickan är hämningsmekanismen att de bromsar ADP-frisättning från det katalytiska aktiva stället och hämmar ATP-beroende riktningsrörelse. En tidigare okänd diffusiv rörelse av Kinesin-5 längs mikrotubuli avslöjades emellertid när monastrol hämmade den motoriska domänen.

Småmolekylära hämmare är inte bara viktiga verktyg för att förstå nanomotorer i celler; de har också potential att fungera som verktyg på kliniken. Inducerad av humana Kinesin-5-hämmare resulterar mitotiskt stopp i apoptos i vissa tumörcellinjer och humana tumörxenograftmodeller . Med dessa lovande prekliniska studier, ispinesib (SB-715992; Cytokinetics/GSK), SB-743921 från Cytokinetics/GSK, MK-0731 från Merck, filanesib (ARRY-520) (Array BioPharma ) och litronesib (LY2523 Lilly) ) har ingått kliniska prövningar. Även om andra generationens Kinesin-5-hämmare har haft bättre framgång, har ingen utvecklats fullt ut och marknadsförts som en anti-cancerbehandling.

Rollen för specifika rester i L5-fickan (L5, α2 och α3) i humant Kinesin-5 har testats, men ännu inte systematiskt utforskats. Det initiala målet med dessa mutationsexperiment var att bestämma vilka rester som hade störst farmakologisk betydelse vid läkemedelsutveckling. Till exempel förmedlar mutationer i KIF11-genen resistens hos mitotiska cellinjer mot inhibitorer som monastrol och STLC. Till exempel ger punktmutationer i inhibitorbindningsfickan, R119A, D130A, L132A, I136A, L214A och E215A resistens mot monastrol, medan R119A, D130A och L214A-mutationer ger resistens mot STLC. I motsats till experimenten med förlust av funktion, visade ett experiment med förstärkning av funktion med Drosophila Kinesin-5 att alla L5-riktade hämmare inte allosteriskt kommunicerar på samma sätt inom Kinesin-5 motoriska domän.

Ett andra syfte med mutationsstudier är att förstå hur läkemedelsresistens i celler tillförs genom att bara ändra en rest. Dessa förändringar i den inhibitorbindande fickan är korrelerade med strukturell modifiering, eller vridning, av det centrala beta-arket i motordomänen Kinesin-5. På detta sätt kan L5-loopen ha möjlighet att direkt kontrollera nukleotidbindning och beta-sheet twist kan manipulera det intilliggande mikrotubulibindningsstället. Detta kan förklara hur tumörceller snabbt kan bli läkemedelsresistenta mot KIF11-hämmare.

Mänskliga mutationer

KIF11-mutationer har beskrivits brett i cancer, och många försök med KIF11-hämmare pågår. [ citat behövs ]

Klinisk signifikans

Könslinjemutationer i KIF11 orsakar mikrocefali med eller utan korioretinopati, lymfödem eller mental retardation (MCLMR). Detta syndrom observeras som en autosomal dominant störning med varierande uttrycksförmåga men kan också vara sporadiskt. Det kännetecknas av mild till svår mikrocefali, ofta förknippad med utvecklingsförsening, okulära defekter och lymfödem, vanligtvis på fotryggen. Fenotypisk utvärdering av patienter (n = 87) visade mikrocefali hos 91 %, ögonavvikelser hos 72 %, intellektuell funktionsnedsättning hos 67 % och lymfödem hos 47 % av patienterna. Opåverkade bärare var sällsynta (4 av 87: 5%). Familjehistoria är inte ett krav för diagnos; 31 % (16 av 52) var de novo-fall. Alla ärftliga fall och 50% av sporadiska fall av MCLMR beror på könslinje-KIF11-mutationer.

Anteckningar

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Kinesin-like_protein_KIF11&oldid=1136408294 "