Lucas Claudio Fernández Lalanne - Tema QUINESINA - Modalidad B

Referencias Bibliográficas Completas de 25 Artículos:

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Friel, C. T. & Howard, J. Coupling of kinesin ATP turnover to translocation and microtubule

regulation: one engine, many machines. J Muscle Res Cell Motil (2012) 33, 377–383.

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17.

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18.

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19.

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20.

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21.

Marx, A., Hoenger, A. & Mandelkow, E. Structures of kinesin motor proteins. Cell Motility and the

Cytoskeleton (2009) 66, 958–966.

22.

Hirokawa, N., Nitta, R. & Okada, Y. The mechanisms of kinesin motor motility: lessons from the

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23.

Li, J., Xu, Y. & Chong, K. The novel functions of kinesin motor proteins in plants. Protoplasma

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24.

Verhey, K. J. & Hammond, J. W. Traffic control: regulation of kinesin motors. Nat Rev Mol Cell

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25.

Gennerich, A. & Vale, R. D. Walking the walk: how kinesin and dynein coordinate their steps. Curr

Opin Cell Biol (2009) 21, 59–67.

Abstracts de 5 Artículos Seleccionados:

1.

Friel, C. T. & Howard, J. Coupling of kinesin ATP turnover to translocation and microtubule

regulation: one engine, many machines. J Muscle Res Cell Motil (2012) 33, 377–383.

The cycle of ATP turnover is integral to the action of motor proteins. Here we discuss how variation

in this cycle leads to variation of function observed amongst members of the kinesin superfamily of

microtubule associated motor proteins. Variation in the ATP turnover cycle among superfamily

members can tune the characteristic kinesin motor to one of the range of microtubule-based

functions performed by kinesins. The speed at which ATP is hydrolysed affects the speed of

translocation. The ratio of rate constants of ATP turnover in relation to association and dissociation

from the microtubule influence the processivity of translocation. Variation in the rate-limiting step

of the cycle can reverse the way in which the motor domain interacts with the microtubule

producing nonmotile kinesins. Because the ATP turnover cycle is not fully understood for the

majority of kinesins, much work remains to show how the kinesin engine functions in such a wide

variety of molecular machines.

2.

Huszar, D., Theoclitou, M.-E., Skolnik, J. & Herbst, R. Kinesin motor proteins as targets for cancer therapy. Cancer Metastasis Rev (2009) 28, 197–208.The process of mitosis is a validated point of intervention in cancer therapy and a variety of anti-

mitotic drugs are successfully being used in the clinic. To date, all approved antimitotics target the

spindle microtubules, thus interfering with spindle dynamics, leading to mitotic arrest and

apoptosis. While effective, these drugs are also associated with a variety of side effects, including

neurotoxicity. In recent years, mitotic kinesins have attracted significant attention in the search for

novel, alternative mitotic drug targets. Due to their specific function in mitosis, targeting these

proteins creates an opportunity for the development of more selective antimitotics with an improved

side effect profile. In addition, kinesin inhibitors may overcome resistance to microtubule targeting

drugs. Drug discovery efforts in this area have initially focused on the plus-end directed kinesin

spindle protein (KSP) and a variety of compounds are currently undergoing clinical testing.

3.

Malicki, J. & Besharse, J. C. Kinesin-2 family motors in the unusual photoreceptor cilium.

Vision Research (2012) 75, 33–36.

This review focuses on recent advances in the understanding of kinesin-2 family motors in

vertebrate photoreceptor development. Zebrafish photoreceptors develop by the 3rd day of

embryogenesis, making it possible to study mutant phenotypes without the use of conditional

alleles. Recent work using a zebrafish kif3b mutant allele validates the concept that the

heterotrimeric kinesin II motor is generally required for ciliogenesis. In zebrafish photoreceptors,

however, loss of kif3b function delays but does not block cilium formation. This is thought to occur

because both kif3b or kif3c can dimerize with kif3a and function redundantly. The second ciliary

kinesin thought to function in photoreceptor cells is kif17. Prior work has shown that either

morpholino knockdown of this gene or the overexpression of its dominant negative form can reduce

or delay photoreceptor cilium development without any evident impact on ciliogenesis in general.

This has led to the idea that kif17 may play an important role only in some specialized cilium

types, such the one in photoreceptor cells. In a recently identified kif17 mutant, however,

photoreceptor outer segments are formed by 5 dpf and an obvious delay of outer segment formation

is seen only at the earliest stage analyzed (3 dpf). This work suggests that kif17 plays a significant

role mainly at an early stage of photoreceptor development. Taken together, these studies lead to an

intriguing concept that as they differentiate photoreceptors alter their kinesin repertoire.

4.

Ferenz, N. P., Gable, A. & Wadsworth, P. Mitotic functions of kinesin-5. Seminars in Cell &

Developmental Biology (2010) 21, 255–259.

In all eukaryotic cells, molecular motor proteins play essential roles in spindle assembly and

function. The homotetrameric kinesin-5 motors in particular generate outward forces that establish

and maintain spindle bipolarity and contribute to microtubule flux. Cell-cycle dependent

phosphorylation of kinesin-5 motors regulates their localization to the mitotic spindle. Analysis of

live cells further shows that kinesin-5 motors are highly dynamic in the spindle. Understanding the

interactions of kinesin-5 motors with microtubules and other spindle proteins is likely to broaden

the documented roles of kinesin-5 motors during cell division.

5.

Marx, A., Hoenger, A. & Mandelkow, E. Structures of kinesin motor proteins. Cell Motility

and the Cytoskeleton (2009) 66, 958–966.

Almost 25 years of kinesin research have led to the accumulation of a large body of knowledge

about this widespread superfamily of motor and nonmotor proteins present in all eukaryotic cells.

This review covers developments in kinesin research with an emphasis on structural aspects

obtained by X-ray crystallography and cryoelectron microscopy 3-D analysis on kinesin motor

domains complexed to microtubules.

Resumen del Tema con Referencias a los 25 Artículos (Modalidad B):

Las quinesinas fueron aisladas por primera vez en 1985 del tejido nervioso del calamar. Estas

proteínas están presentes en todas las células eucariotas y, en el ser humano, se han identificado más

de 40 distintos tipos de quinesinas, clasificándose en 14 familias. Los miembros de la superfamilia

de las quinesinas (KIF) comparten un dominio motor altamente conservado, poseen actividad

adenosín trifosfato y tienen una habilidad motora que es dependiente de microtúbulos. Este dominio

motor conservado permite a las quinesinas desplazarse sobre los microtúbulos a la vez que

convierten la energía química liberada de la hidrólisis de ATP en energía mecánica. Las quinesinas

participan principalmente en la mitosis y en el transporte intracelular de vesículas y orgánulos

(Liu et al., 2013). Su dominio motor tiene distintas conformaciones en función de su interacción

con ATP, ADP+Pi o ADP, aunque también es posible que no esté unido a ninguno de ellos. La

función de las distintas conformaciones es regular la afinidad del dominio motor con el

microtúbulo. Este dominio tiene estados de baja y alta afinidad por el microtúbulo. Estos estados se

van conmutando uno por otro a medida que el nucleótido se une al microtúbulo (Friel and Howard,

2012).

El dominio motor de la quinesina está compuesto por un centro catalítico globular y una pieza de

conexión de corta hebra. El centro catalítico contiene el núcleo de reacción de la ATPasa y la

superficie de unión al microtúbulo. Los extremos amino y carboxi terminal están localizados muy

cerca del centro catalítico y la pieza de conexión conecta el centro catalítico con el resto de la

molécula (Hirokawa et al., 2009). En general, las quinesinas que tienen el dominio motor en el

extremo N-terminal poseen motilidad hacia el extremo positivo del microtúbulo, mientras que las

quinesinas que tienen el dominio motor en el extremo C-terminal se mueven en dirección opuesta,

es decir, hacia el extremo negativo del microtúbulo (Verhey and Hammond, 2009).

Para producir la fuerza necesaria, estas proteínas motoras acoplan un ciclo químico de hidrólisis de

ATP con un ciclo mecánico de interacciones motoras con los filamentos. Una vez acoplados, el

ciclo mecanoquímico de estas proteínas es realmente complejo. El ciclo químico se divide en unión

al ATP, hidrólisis y liberación de ADP+Pi. Estos cambios ocurren en el dominio motor de las

quinesinas y se ven involucrados pequeños movimientos llevados a cabo por elementos

estructurales específicos. El ciclo mecánico es la unión de la quinesina al filamento, dándose un

movimiento de palanca por parte del elemento estructural rígido y generándose una presión que

produce largos desplazamientos del dominio motor y, consecuentemente, la liberación de la

quinesina del filamento para posicionar de vuelta a los elementos amplificadores de fuerza, en

preparación para el siguiente paso (Kull and Endow, 2013). Las quinesinas convencionales

(quinesina-1) utilizan dos dominios motores idénticos, los cuales se van alternando, para

desplazarse a lo largo del microtúbulo. Se pueden dar desplazamientos de 100 pasos, cada uno de

8 nm de distancia (lo cual corresponde a la longitud de un dímero de α,β-tubulina), e hidrolizan una

molécula de ATP por cada paso que dan (Marx et al., 2009). Además de la quinesina-1, la dineína

citoplasmática también interviene en el transporte sobre microtúbulos utilizando energía liberada de la hidrólisis de ATP. Por lo tanto, hay una alta coordinación entre la dineína citoplasmática y la quinesina-1, de forma que sus ciclos bioquímicos se compaginan para que la cabeza globular de la quinesina se una al microtúbulo a la vez que la cabeza globular de la dineína se separa de él, y viceversa (Gennerich and Vale, 2009). A día de hoy se ha demostrado que al aplicar ciertas fuerzas

sobre la quinesina puede dar lugar al retroceso en la dirección de avance de esta molécula, esto

puede resultar interesante a la hora de controlar su movimiento en el campo de la nanotecnología

(Mikhailenko et al., 2010). La actividad motora de las quinesinas debe estar correctamente regulada

en las células para evitar un consumo de ATP innecesario y para asegurar la localización celular

apropiada de las proteínas motoras con su cargamento. Por lo tanto, cuando las quinesinas no están

unidas a su carga se mantienen en un estado inactivo por un mecanismo de autoinhibición, lo cual

les permite tener un control espaciotemporal riguroso (Verhey et al., 2011). Las quinesinas suelen

reconocer proteínas estructurales o adaptadoras para unirse indirectamente a proteínas de membrana

del cargamento, formándose un complejo proteico. En otros casos, las quinesinas pueden unirse

directamente a proteínas de membrana de la carga. Se han descrito tres mecanismos implicados en

la regulación de descarga del contenido: fosforilación de las quinesinas o de la carga, intervención

de pequeñas proteínas G y señalización mediada por calcio. También se ha descubierto la

participación de proteínas quinasas, como la proteína quinasa A (Hirokawa et al., 2009).

El transporte activo a lo largo del entramado de microtúbulos es un proceso complejo que supone la

participación de las superfamilias de proteínas motoras quinesinas y dineínas. El transporte requiere

de una sofisticada regulación que se lleva a cabo principalmente en la cola del dominio motor. Sin

embargo, una parte de esta regulación también ocurre mediante cambios estructurales en las uniones

de los dominios motores y de los microtúbulos. El cambio estructural más característico es la

asimetría. Los dímeros de quinesina exhiben una simetría doble y los microtúbulos una simetría

helicoidal. Estas simetrías se pierden al formarse el complejo quinesina-microtúbulo. La pérdida de

esta simetría tiene consecuencias funcionales como, por ejemplo, la unión asimétrica del

microtúbulo a la familia de quinesinas-14. Por lo tanto, el resultado de esta asimetría afecta a la

regulación de las cabezas motoras con los microtúbulos (Rank and Rayment, 2013).

Como ya hemos dicho, la superfamilia de las quinesinas se puede dividir en 14 familias. La familia

quinesina-1 fue la que se identificó primero, son dímeros y están implicados en el transporte

intracelular. Kif5A, Kif5B y Kif5C son expresadas en mamíferos. Kif5A y Kif5C son específicos de

neuronas. La familia quinesina-5 está implicada en el proceso de mitosis, ya que se une al huso

acromático temprano. La familia quinesina-6 influye en el proceso de citocinesis. La familia

quinesina-7 es la que posee las quinesinas más grandes (más de 2600 Aa de longitud) y son las que

se asocian al cinetocoro. Su actividad contribuye al establecimiento de cromosomas orientados en la

misma dirección en la placa metafásica. La familia quinesina-8 está involucrada en la congregación

de cromosomas en la prometafase. La familia quinesina-12 influye en el desarrollo neuronal y en la

mitosis, pero su función específica no está muy bien documentada. La familia quinesina-13 (Kif2A,

Kif2B, Kif2C, Kif24) está implicada en la despolimerización de microtúbulos y su acción recae en

la modificación del huso acromático. La familia quinesina-14 realiza su función en la formación del

huso acromático y en la citocinesis (Good et al., 2011).

Mucho más importante es la familia quinesina-2, que influye en el desarrollo de fotoreceptores del

pez cebra (Danio rerio), concretamente en el desarrollo de cilios de estas células, también llamado

ciliogénesis (Malicki and Besharse, 2012). Esta familia fue purificada y se definió como

heterotrimérica, anterógrada, con dos subunidades de quinesina y una proteína asociada (KAP) y,

como ya hemos dicho, es mejor conocida por su papel en el transporte intraflagelar y en la

ciliogénesis, aunque también pueden realizar funciones de transporte que no involucran a los cilios.

Las funciones de las quinesinas-2 heterotriméricas son transporte intraflagelar, ensamblaje de cilios,

transporte de opsinas en el desarrollo de fotoreceptores, transporte de orgánulos citoplasmáticos o

del axón, transporte vírico intracelular, mitosis, citoquinesis, transporte de ARN, polarización

celular, adhesión celular y desarrollo embrionario. En cambio, las funciones de las quinesinas-2

homodiméricas son transporte intraflagelar, ensamblaje axonémico, desarrollo de fotoreceptores,

transporte de moléculas señalizadores del cilio primario, transporte dendrítico, polarización en

células del epitelio, seguimiento de microtúbulos y funciones en el cerebro. La quinesina-2 también

puede estar involucrada en ciliopatías (infertilidad, afecciones respiratorias y visuales, etc), ya sea

por exceso o por falta de actividad de las quinesinas (Scholey, 2013).

La familia quinesina-5 está formada por proteínas motoras homotetraméricas que son capaces de

modular y organizar los microtúbulos del huso acromático de células eucarióticas en la mitosis.

También poseen funciones post-mitóticas, como pueden ser la organización de los microtúbulos del

citoesqueleto en la interfase (Wojcik et al., 2013). Se ha observado que la inhibición de la

quinesina-5 da lugar a la alteración de los centrosomas y de los polos del huso acromático, tanto en

microtúbulos paralelos como antiparalelos, acentuando de esta forma su importancia en la mitosis

(Ferenz et al., 2010).

La familia quinesina-13 es especialmente importante en la regulación de la mitosis ya que

funcionan como enzimas que despolimerizan microtúbulos, por lo que se unen a estos e inducen un

cambio conformacional que da lugar a su rotura. Su función en la mitosis se basa en establecer la

polaridad del huso acromático y en la separación del centrosoma (Ems-McClung and Walczak,

2010). Junto con la familia de quinesinas-8, las quinesinas-13 están implicadas en la congregación

de cromosomas en la placa metafásica. Ambas quinesinas realizan su función en sistemas tan

simples como son las levaduras, hasta sistemas tan complejos como son los vertebrados. Se ha visto

que en ausencia de estas quinesinas no se forma la placa metafásica y los cromosomas quedan

dispersados por toda la célula (Walczak et al., 2013).

En las células de mamífero, la iniciación de la citoquinesis está regulada por el solapamiento de los

microtúbulos antiparalelos del huso acromático. A esta región también se unen componentes clave,

como pueden ser la PRC-1, la quinasa Plk1 y varios complejos, como la CPC, que en su conjunto

sirven para estabilizar el solapamiento de los microtúbulos y además para coordinar el ensamblaje

del citoesqueleto de actina y miosina, lo cual es necesario para dividir a la célula en dos. La

localización de estos elementos indispensables para la citoquinesis en la zona central del huso

acromático requiere de la presencia de proteínas de la superfamilia de las quinesinas. Un ejemplo es

la quinesina KIF4, perteneciente a la familia quinesina-4, la cual se asocia a la proteína PRC-1 que

es requerida para la citoquinesis (Hornick et al., 2010).

El transporte en los microtúbulos llevada a cabo por la familia de las quinesinas influye

enormemente en la replicación e infección de diversos virus. Los virus toman el control de las

quinesinas mediante el uso de proteínas específicas. Por ejemplo, el virus HIV-1 se introduce en la

célula hospedadora mediante una vesícula, que es transportada por dineína y quinesina hasta el

núcleo, por medio de los microtúbulos, y es ahí donde introduce su material genético para provocar

la infección (Dodding and Way, 2011).

Las plantas también poseen un gran número de quinesinas. Las familias quinesina-2,3,9 y 11 están

ausentes en éstas, pero las familias quinesina-7, 5 y 14 están enormemente expandidas en el mundo

vegetal, realizando algunas funciones similares a las quinesinas del mundo animal. Por otro lado,

hay algunas quinesinas que sólo están presentes en plantas. La diversidad de quinesinas en plantas

hace pensar que éstas han evolucionado, de forma divergente desde sus parientes más lejanos de

animales y hongos, para realizar funciones específicas. Las quinesinas vegetales intervienen en la

organización de los microtúbulos, en la distribución de orgánulos, en el transporte de vesículas y en

la organización de las microfibrillas de celulosa. En último lugar, se han identificado funciones

nuevas relacionadas con la activación de la transcripción para regular la biosíntesis de giberelinas,

lo cual tiene importantes implicaciones en el crecimiento (Zhu and Dixit, 2012; Li et al., 2012).

La mitosis es un punto específico para intervenir en el tratamiento del cáncer y es por ello que

ciertos fármacos antimitóticos han tenido mucho éxito en la clínica. A día de hoy, todos estos

fármacos atacan al huso acromático que se forma en la mitosis y de esta forma se produce la

apoptosis, pero estos fármacos suelen producir fuertes efectos secundarios de tipo neurológico. Es

por ello que las quinesinas han sido candidatas de ser nuevas dianas en el tratamiento del cáncer.

Debido a su función específica en la mitosis, si atacamos a estas proteínas podríamos conseguir un

fármaco más selectivo, con un perfil de efectos secundarios mejorado, y para ello se han centrado

inicialmente en la proteína quinesina del extremo positivo del huso (Huszar et al., 2009). Se han

descubierto varios compuestos que inhiben a la quinesina EG5, que es esencial para la formación

del huso acromático, y también inhiben a la proteína E asociada al cinetocoro (CENPE). Estos

fármacos ya han entrado en las fases I y II de ensayos clínicos, para ser utilizados tanto en

monoterapias como en terapias combinadas con otros fármacos (Rath and Kozielski, 2012). La

sobreexpresión de quinesinas, como es el caso de la MCAK (quinesina asociada al centrómero

mitótico), se ha observado en el cáncer colorrectal, gástrico y de pecho, lo cual se ha relacionado

con un pobre pronóstico. Su expresión causa un incremento en la proliferación y motilidad celular,

mientras que su reducción inhibe el crecimiento celular del tumor. La inestabilidad cromosómica,

que es común en bastantes cánceres, se incrementa debido a la reducción de quinesina-13, causando

interacciones permanentes entre el cinetocoro y los microtúbulos. Por otro lado, la sobreexpresión

de Kif18a se puede encontrar en el cáncer de pecho, mientras que su reducción inhibe la migración

celular y promueve la muerte celular. Estos son ejemplos de como las quinesinas intervienen en la

formación de cáncer y porque es tan importante atacarlos en sus respectivas terapias (Drummond,

2011).