Mps1

Mps1 (ka TTK, ESK või PYT) on konserveerunud valgukinaas, mis fosforüleerib seriini-, treoniini- ja türosiinijääke. Mps1 osaleb tsentrosoomi/SPB duplikatsioonis, kinetohooride biorientatsioonis ja käävi kontrollpunkti regulatsioonis (SAC). Mps1 talitluse häirumine põhjustab defekte kromosoomide lahknemises ja aneuploidsust. MPS1 geen esineb enamikus eukarüootides – pärmirakkudest inimeseni. Identifitseeritud on ka ortolooge seentes, selgrootutes (nt Drosophila) ja taimedes. MPS1 geen (inglise monopolar spindle ehk monopolaarne kääv) avastati esmalt pagaripärmis, Saccharomyces cerevisiae's. Selle geeni temperatuuritundlik alleel ilmutas sarnast fenotüüpi juba eelnevalt kirjeldatud monopolaarse käävi mutantidega cdc31 ja kar1. Piiraval temperatuuril inkubeerides ning seejärel mikrotuubuleid immunofluorestsentsiga visualiseerides leiti, et mps1-1 alleeliga mutantides esines ebanormaalne käävivalkude organiseerumine ja tulemuseks oli monopolaarse käävi moodustumine. Elektronmikroskoopia paljastas, et mutant põhjustab pärmi tsentrosoomi ehk mikrotuubulite organisatsioonikeskuse kokkupaneku ebaõnnestumist. Pärast aminohappelise järjestuse kindlakstegemist määratleti eelnevalt identifitseeritud hiire Esk kinaas ja inimese TTK/PYT kinaasid Mps1 ortoloogideks selgroogsetes ning nüüdseks nimetatakse neid vastavalt hiire Mps1 (mMps1) ja inimese Mps1 (hMps1). TTK avastati inimese kasvajarakkude liinides. Mps1 valguperekonda kuuluvad valgud on 85–95 kDA ning kõigile on omane kõrgelt konserveerunud C-terminaalne kinaasi domeen. N-terminaalsed domeenid on perekonnas vähekonserveerunud ja neil puuduvad ühised motiivid. Käävi kontrollpunkt (SAC) on signalisatsioonimehhanism, mis teostab mitoosis järelevalvet kromosoomide lahknemise üle. Kui kinetohooridele pole kinnitunud kääviniidid, on SAC aktiveeritud ning rakutsükkel seiskunud. Mikrotuubulite seondumine vaigistab mehhanismi. Mps1 osaleb käävi kontrollpunkti aktivatsioonis, olles seondunud kinetohooril Ndc80 kompleksiga ning fosforüleerides allavoolu jäävad sihtmärkvalgud. Juhul, kui kinetohooridele pole kinnitunud mikrotuubulid, on Ndc80-ga seotud Mps1 optimaalses positsioonis, et fosforüleerida Spc105 (Mps1 substraat pagaripärmis; inimeses vastab sellele KNL-1). Spc105 konserveerunud MELT (konsensusjärjestus Met-Glu-Leu-Thr) motiivide fosforüleerimine Mps1 poolt vallandab SAC kaskaadi, mille eesmärk on anafaasi edasilükkava signaali indutseerimine ja rakutsükli peatamine. Kui mikrotuubulid kinnituvad kinetohooridele nii, et tekib bipolaarne orientatsioon, atenueeritakse anafaasi inhibeeriv signaal ja rakutsükkel jätkub. Selleks, et tagada korrektne tütarkromatiidide lahknemine, peavad kääviniidid kinnituma tütarkromatiidide kinetohooridele, tekitades biorientatsiooni bipolaarse pinge kaudu. Mps1 reguleerib biorientatsiooni, tunnetades bipolaarset pinget. Kui mikrotuubulite kinnitumine kinetohooridele ei genereeri pinget, siis see ühendus eemaldatakse. Pärmi tsentrosoom ehk käävi polaarsuse keha (ingl spindle pole body, SPB) duplitseerub rakutsükli jooksul ühe korra. Tegemist on rakutsükli reguleeritava protsessiga, mis algab G2-faasis SPB alamstruktuuri (poolsild) pikenemisega. Järgmiseks moodustub tuumamembraani tsütoplasmaatilisel poolel silla distaalses otsas satelliit, mis pärast rakutsükli algust suureneb ja siseneb tuumamembraani. Jätkub SPB tuumapoolse osa moodustumine. SPB duplikatsioon on reguleeritud fosforüleerimise kaudu. Pärmi tsentrosoomi valkudest on Mps1 substraadiks näiteks "spacer"-valk Spc110, satelliidi moodustamises osalevad Spc42 ja Scp29 ning poolsilla komponent, tsentriin Cdc31. Mps1 kinaasile on omane kõrgelt konserveerunud aktivatsioonilingu jääkide autofosforüleerimine, mis on vajalik kinaasi täielikuks aktiivsuseks ja talitluseks. Valdavalt fosforüleeritakse Ser/Thr saidid, kuigi on ka observeeritud türosiini fosforüleerimist. Mitoosis on Mps1 hüperfosforüleeritud, kuid anafaasi sisenemisel Mps1 defosforüleeritakse. MPS1 transkriptsiooni viiakse aktiivselt läbi, kui rakud sisenevad rakutsüklisse. TTK ehk hMps1 mRNA, valgu hulk ja kinaasi aktiivsus tõuseb G1/S-faasis ja saavutab haripunkti G2/M-faasis. TTK mRNA tase ning ka kinaasi aktiivsus langeb järsult varajases G1 faasis. Paljud imetajate valgud, mis osalevad mitoosis ja käävi kontrollpunkti signaliseerimises, on E2F transkriptsioonifaktorite perekonna valkude kontrolli all. Kui MPS1 mRNA hulk saavutab mitoosis haripunkti, seonduvad transkriptsioonifaktorid E2F4 ning E2F1 MPS1 promooter-alale, mis represseerib MPS1 transkriptsiooni interfaasis. Imetajate rakus paikneb Mps1 G1-faasis peamiselt tsütosoolis. Hilises G2-faasis koguneb Mps1 tsentrosoomidele ja tuumamembraanile. G2/M-faasi üleminekul, enne tuumamembraani lagunemist, siseneb Mps1 tuuma. Tuuma lokaliseerumiseks on olulised Mps1 kinaasi mittekatalüütilises N-terminaalses osas asuvad kaks LXXLL (Leu-X-X-Leu-Leu) motiivi. Interfaasis liigub Mps1 tõenäoliselt tuuma ja tsütosooli vahel, kuni profaasi alguses assotsieerub kinetohooridega, millega jääb seotuks kuni anafaasini, mil ta dissotsieerub. Mps1 lokaliseerumist kinetohooridele mõjutab MAPK poolt fosforüleerimine. Peale MAPK on ka kirjeldatud PRP4 ja Aurora B kinaaside osalust. Mainitud kinaaside inhibeerimine vähendab Mps1 lokalisatsiooni mikrotuubulite poolt mitteseotud kinetohooridele. Ajastatud Mps1 inaktivatsioon on oluline rakutsükli korrektse kulgemise tagamiseks ja SAC signalisatsiooni terminatsiooniks. Mps1 inaktiveeritakse degradatsiooni abil anafaasis. Selles reaktsioonis osaleb ubikvitiin-E3-ligaas APCCdc20. Mitoosi alguses, kui käävi kontrollpunkt on aktiivne, on APCCdc20 proteolüütiline aktiivsus inhibeeritud. Kui kromosoomid biorienteeruvad, siis APC muutub aktiivseks ning rakud sisenevad anafaasi ja Mps1 degradatsioon inaktiveerib lõplikult käävi kontrollpunkti. Pärmi Mps1 N-terminaalses osas on kolm regiooni (D-box, motiiv RXXL ehk Arg-X-X-Leu), mis on olulised äratundmiseks ja proteolüüsiks APCCdc20 poolt. On näidatud, et kasvajarakkudes on hMps1 ehk TTK üleekspresseeritud ja hMps1 taseme alandamine vähendab kasvajarakkude proliferatsiooni ja eluvõimet. Üleekspresseeritud Mps1 kinaasi on leitud erinevates rinnavähi rakuliinides kui ka teistes kasvajarakkude liinides – U937, HeLa, HEY, OCC1, Bewo, T987. Seega on Mps1 muutunud ka potentsiaalseks sihtmärgiks vähiteraapias ning tänaseks on kirjeldatud mitmed erinevad väikese-molekulised inhibiitorid, mis takistavad kasvajate rakkude prolifeerumist, inhibeerides spetsiifiliselt Mps1 kinaasi aktiivsuse. Paraku on komistuskiviks ravimiresistentsuse tekkimine, mille põhjuseks sageli on mutatsioonide tekkimine sihtmärk-kinaasis, mis vähendavad valgu äratundmist inhibiitorite poolt.   Liu, X. and Winey, M. (2012). The MPS1 Family of Protein Kinases. Annual Review of Biochemistry. 81: 561–585. Winey, M., Goetsch, L., Baum, P., Byers, B. (1991). MPS1 and MPS2 : novel yeast genes defining distinct steps of spindle pole body duplication. The Journal of Cell Biology. 114: 745–754. Fisk, H. A., Mattison, C. P. and Winey, Mark. (2004). A Field Guide to the Mps1 Family of Protein Kinases. Cell Cycle. 3: 437–440 Mills, GB., Schmandt, R., McGill, M., Amendola, A., Hill, M., Jacobs , K., May, C., Rodricks, AM., Campbell, S., Hogg, D. (1992). Expression of TTK, a novel human protein kinase, is associated with cell proliferation. The Journal of Biological Chemistry. 267: 16000–16006. Aravamudhan, P., Goldfarb, A. A., Joglekar, A. P., (2015). The kinetochore encodes a mechanical switch to disrupt spindle assembly checkpoint signalling". Nature Cell Biology. 17: 868–879 London, N., Ceto, S., Ranish, J. A., Biggins, S. (2012) Phosphoregulation of Spc105 by Mps1 and PP1 regulates Bub1 Localization to Kinetochores. Current Biology. 22(10): 900–906. Tanaka et al. (2007). Mps1 kinase promotes sister-kinetochore biorientation by a tension-dependent mechanism. Current Biology. 17: 2175–2182. Adams, I.R., Kilmartin, J,V. 2000. Spindle pole body duplication: a model. J. Cell Biology. 145 : 809–823 Adams, I.R., and Kilmartin, J.V. (2000). Spindle pole body duplication: a model for centrosome duplication. Trends Cell Biol. 10: 329–335 Winey et al. (2011). A Cell Cycle Phosphoproteome of the Yeast Centrosome. Science. 332 Mattison, C.P., Old, W. M., Steiner, E., Huneycutt, B. J., Resing, K.A., Ahn, N.G., Winey, M. (2007). Mps1 Activation Loop Autophosphorylation Enhances Kinase Activity. The Journal of Biological Chemistry. 42: 30553–30561. Liu, S-T., Chan, G.K.T., Hittle, J.C., Fujii, G., Lees, E., Yen, T.J. (2003). Human MPS1 kinase is required for mitotic arrest induced by the loss of CENP-E from kinetochores. Molecular Biology of the Cell. 14: 1638–1651. Hogg, D., Guidos, C., Bailey, D., Amendola, A., Groves, T., et al.(1994). Cell cycle dependent regulation of the protein kinase TTK. Oncogene. 9: 89–96. Ren, B., Cam, H., Takahashi Y., Volkert, T., Terragni, J., et al. (2002). E2F integrates cell cycle progression with DNA repair, replication, and G(2)/M checkpoints. Genes Dev. 16: 245–56. Liu, S-T., Chan, G.K.T., Hittle, J.C., Fujii, G., Lees, E., Yen, T.J. (2003). Human MPS1 kinase is required for mitotic arrest induced by the loss of CENP-E from kinetochores. Molecular Biology of the Cell. 14: 1638–51. Fisk, H. A., Mattison, C.P., Winey, M. (2003). Human Mps1 protein kinase is required for centrosome duplication and normal mitotic progression. Proc Natl Acad Sci USA. 100: 14875–80. Xu, Q., Zhu, S., Wang, W., Zhang, X., Old, W., et al. (2009). Regulation of kinetochore recruitment of two essential mitotic spindle checkpoint proteins by Mps1 phosphorylation. Molecular Biology of The Cell. 20: 10–20. Dou, Z., Sawagechi, A., Zhang, J., Luo, H., Brako, L., Yao, X.B. (2003). Dynamic distribution of TTK in HeLa cells: insights from an ultrastructural study. Cell Research. 13: 443–49. Zhang, X., Yin, Q., Ling, Y., Zhang, Y., Ma, R., et al.(2011). Two LXXLL motifs in the N terminus of Mps1 are required for Mps1 nuclear import during G 2/M transition and sustained spindle checkpoint responses. Cell Cycle. 10: 2742–50. Zhao, Y., Chen, R.H. (2006) Mps1 phosphorylation by MAP kinase is required for kinetochorelocalization of spindle-checkpoint proteins. Current Biology. 16:1764–69. Montembault, E., Dutertre, S., Prigent, C., Giet, R. (2007).PRP4 is a spindle assembly checkpoint protein required for MPS1, MAD1, and MAD2 localization to the kinetochores. The Journal of Cell Biology. 179:601–9. Saurin, A.T., van der Waal, M.S., Medema R.H., Lens S.M.A., Kops, G.J.P.L. (2011). Aurora B potentiates Mps1 activation to ensure rapid checkpoint establishment at the onset of mitosis. Nature Communications. 2: 316. Palframan, W.J., Meehl, J.B., Jaspersen, S.L., Winey, M., Murray A.W. (2006). Anaphase inactivation of the spindle checkpoint. Science. 313: 680–84. Santarpia et al. (2014). TP53 mutation-correlated genes predict the risk of tumor relapse and identify MPS1 as a potential therapeutic kinase in TP53-mutated breast cancers. Molecular Oncology. 8: 508–519. Ling et al. (2014). Overexpression of Mps1 in colon cancer cells attenuates the spindle assembly checkpoint and increases aneuploidy. Biochemical and Biophysical Research Communications. 450: 1690–1695. Buchholz et al. (2014). Key role of dual specificity kinase TTK in proliferation and survival of pancreatic cancer cells. British Journal of Cancer. 111: 1780–1787. Koch, A., Maia, A., Janssen, A., Medema, RH. (2015). Molecular basis underlying resistance to Mps1/TTK inhibitors. Oncogene. 1–11.