POLO 样激酶 4； PLK4

丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 18； STK18
SAK，小鼠，同系物；SAK

HGNC 批准的基因符号：PLK4

细胞遗传学位置：4q28.1 基因组坐标（GRCh38）：4:127,880,893-127,899,224（来自 NCBI）

▼ 说明

PLK4 基因编码中心粒生物发生的关键调节因子，因此在细胞分裂、信号传导和运动中发挥重要作用（Martin 等人总结，2014）。

▼ 克隆与表达

有丝分裂和减数分裂过程中的染色体分离受激酶和磷酸酶的调节。 Karn 等人通过使用与蛋白激酶催化结构域内保守氨基酸基序相对应的简并 PCR 引物筛选胚胎组织，然后筛选鳞状细胞癌 cDNA 文库（1997）分离出编码STK18的cDNA。预测的 970 个氨基酸的 STK18 蛋白与其他 STK 具有显着的同源性，特别是与果蝇“polo”相关的 STK（例如 PLK、602098），所有这些都具有 N 末端激酶结构域。由于 STK18 与鼠 Sak 基因同源，作者将其命名为 SAK。 Northern 印迹分析检测到 4.0-kb STK18 转录物在睾丸和胸腺中大量表达，但在其他组织或肿瘤中没有表达。

哈里斯等人（2011）研究了 Plk4 在小鼠睾丸中的表达，并观察到出生前和出生后的高表达。在成年小鼠中，Plk4 表达首先在第 VIII 期粗线期精母细胞中检测到，并且一直存在到精子发生末期。

▼ 基因功能

中心粒在每个细胞分裂周期中通过所谓的模板复制或规范复制复制一次。 SAK，也称为 PLK4，是一种与肿瘤发展有关的激酶，是中心粒形成所必需的经典生物发生的上游调节因子。罗德里格斯·马丁斯等人（2007）发现 SAK 的过度表达诱导果蝇胚胎中中心粒的扩增以及受精卵中中心粒的从头形成。这两个过程都需要 DSAS6 和 DSAS4 的活性，这两个分子是典型复制所需的。因此，罗德里格斯·马丁斯等人（2007）得出的结论是，中心粒生物发生是一种无模板的自组装过程，由通常与现有中心粒相关的分子触发和调节。母中心粒不是真正的模板，而是一组催化和调节子中心粒组装的调节分子的平台。

Kleylein-Sohn 等人将四环素诱导质粒与人骨肉瘤细胞系一起使用（2007）发现 PLK4 过度表达触发了每个预先存在的中心粒周围同时形成多个原中心粒。多个中心粒在 S 期形成，并在分散之前在整个 G2 和 M 期持续呈花状结构，导致中心粒扩增。 Kleylein-Sohn 等人通过 siRNA 介导的耗竭和针对单个中心体蛋白的免疫电子显微镜观察（2007）发现 PLK4、SAS6（SASS6; 609321）、CPAP（CENPJ; 609279）、CEP135（611423）、TUBG1（191135）和 CP110（609544）在原中心粒形成的不同阶段是必需的，并且与不同的中心粒相关结构。

金哲夫等人（2010）证明中心粒蛋白“Asterless”（Asl）（CEP152; 613529）提供了一个保守的分子平台，其氨基末端与 Plk4 的神秘 Polo 框相互作用，而羧基末端与中心粒蛋白 Sas4（CPAP）相互作用。果蝇Asl和人CEP152分别是果蝇中Plk4的中心体负载和人细胞中CPAP的中心体负载所必需的。 Asl 或 CEP152 的缺失导致中心体复制失败；它们的过度表达导致果蝇卵中从头形成中心粒、果蝇胚胎中游离中心体的复制以及培养的果蝇和人类细胞中中心体的扩增。 Plk4 结合缺陷型 Asl 突变体的过度表达可阻止培养细胞和胚胎中中心粒的复制。然而，这种突变蛋白能够促进胚胎和卵母细胞中微管组织中心的形成。这种微管组织中心具有中心粒周围材料和中心粒蛋白 Sas4，但其核心没有中心粒。这种中心粒微管组织中心的形成可以通过卵母细胞或胚胎中 Sas4 的过度表达来进行表型复制。 Dzhindzhev 等人的发现（2010）确定了 Asl 作为 Plk4 和 Sas4 支架的孤立功能，促进中心粒的自组装和复制以及中心粒周围材料的组织。

沃尔普雷希特等人（2012）发现表达 centrin-2（CETN2; 300006）的 HeLa 细胞中 PLK4 的过度表达诱导亲本中心粒上多个原中心粒的形成以及亲本中心粒周围 STIL（181590）的积累。在 PLK4 过表达细胞中敲低 STIL 可消除中心粒过度复制。

Sonnen 等人使用 siRNA（2013）发现 CEP192（616426）是 CEP152、CEP63（614724）和 CPAP（CENPJ; 609279）的中心体定位所必需的，并减少了 U2OS 细胞中 PLK4 的中心体含量。 CEP192 直接与 CEP152 和 PLK4 相互作用，但不与 CEP63 或 CPAP 相互作用。 CEP192 和 CEP152 的共缺失完全阻止了 PLK4 与中心体的结合，并且还损害了 U2OS 细胞中的中心粒复制。

黄等人（2015）开发了 centrinone，一种 PLK4 的可逆抑制剂，PLK4 是一种启动中心粒组装的丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶。 Centrinone 治疗导致人类和其他脊椎动物细胞中心体耗竭。中心体损失通过 p53（191170）依赖性机制不可逆地将正常细胞停滞在类衰老 G1 状态，该机制孤立于 DNA 损伤、应激、Hippo 信号传导（参见 605030）、有丝分裂持续时间延长或分离错误。相比之下，中心体数量正常或扩增的癌细胞系在中心体丢失后可以无限增殖。在中心体酮冲洗后，每个癌细胞系恢复到固有的中心体数量“设定点”。黄等人（2015）得出的结论是，具有癌症相关突变的细胞对中心体丢失的反应与正常细胞根本不同。

莫耶等人（2015）指出 STIL 的 STAN 结构域的 PLK4 依赖性磷酸化会产生 SAS6 的结合位点，这是 SAS6 募集到原中心粒组装位点所需的。他们发现 STIL 的中央卷曲螺旋结构域与活性和非活性 PLK4 相互作用。与 STIL 的相互作用刺激了 PLK4 激酶活性，导致 STAN 结构域内的 STIL 上的 ser1108 和 ser1116 上的磷酸化以及激酶结构域激活环中的 thr170 上的 PLK4 的自磷酸化。 PLK4 的自磷酸化刺激其通过蛋白酶体降解，而 STIL 的敲低则稳定了中心体的 PLK4。丙氨酸取代表明，STIL 在 STAN 结构域丝氨酸上的磷酸化是 STIL 与中心粒相互作用以及中心粒复制所必需的。防止 STIL 磷酸化会减少 SAS6 向中心粒的募集。莫耶等人（2015）得出结论，PLK4 介导的 STIL 磷酸化提高了 STIL 靶向中心粒的效率，导致 SAS6 的募集和中心粒复制。

Brunk 等人在人类 U2OS 细胞中使用蛋白质下拉筛选（2016）发现 PLK4 与 CEP78 相互作用（617110）。在转染的 U2OS 细胞中，CEP78 主要与 PLK4 的 C 端催化结构域相互作用。通过短干扰 RNA 下调 CEP78 不会导致中心粒丢失或单极纺锤体形成。然而，CEP78 的缺失会降低 PLK4 中心体定位和 PLK4 诱导的 HeLa 细胞中中心粒的过度复制。

▼ 测绘

通过 FISH，Hudson 等人（2000）将 STK18 基因定位到染色体 4q27-q28。他们将小鼠 Sak 基因定位到染色体 13p。

▼ 分子遗传学

常染色体隐性小头畸形和脉络膜视网膜病变 2

Martin 等人在患有常染色体隐性小头畸形和脉络膜视网膜病变 2（MCCRP2; 616171）的巴基斯坦高度近亲家庭的 7 名受影响成员中（2014）鉴定了 PLK4 基因中的纯合截短突变（605031.0001）。通过外显子组测序发现的突变与家族中的疾病分离。一名患有类似疾病的马达加斯加患者在接受外显子组测序后发现 PLK4 基因携带不同的截短突变（605031.0002）。对 318 名原发性小头畸形和原始侏儒症患者的 PLK4 基因进行直接测序，发现 1 名伊朗患者与马达加斯加患者具有相同的截短突变。与对照组相比，患者成纤维细胞在有丝分裂过程中中心粒数量显着减少，纺锤体形成受损。患者成纤维细胞也显示纤毛细胞数量减少，纤毛损失与基底体的缺失相关，尽管患者没有表现出纤毛病表型。

关联待确认

有关 PLK4 基因变异与生精失败之间可能关联的讨论，请参阅 605031.0004。

▼ 动物模型

科等人（2005）发现Plk4缺失导致小鼠胚胎成纤维细胞和胚胎干细胞的损失。与野生型细胞相比，Plk4+/-胚胎成纤维细胞的中心体扩增、多极纺锤体形成和非整倍性增加。老年单倍体不足的小鼠自发性肝癌和肺癌的发病率比野生型同窝小鼠高约 15 倍。使用部分肝切除术的体内模型诱导同步细胞周期进入，作者确定细胞周期蛋白 D1（168461）、E（123837）和 B1（123836）以及 Cdk1（116940）的精确调节在 Plk4 + 中受损/- 肝脏再生，p53（191170）激活以及 p21（116899）和 Bubr1（602860）表达受到抑制。这些缺陷与 Plk4 +/- 小鼠中进行性细胞周期延迟、纺锤体不规则性增加和加速肝细胞癌发生有关。科等人（2005）得出结论，减少 Plk4 基因剂量会增加有丝分裂错误和癌症发展的可能性。

Harris 等人通过小鼠全基因组诱变（2011）由于 Plk4 基因激酶结构域内的杂合错义突变（I242N），产生了显性性腺功能减退症和斑片状生殖细胞损失的品系。杂交分析表明 I242N 纯合性是胚胎致死的。与野生型同窝小鼠相比，杂合突变小鼠的睾丸大小减少了 17%，组织学显示生殖细胞丢失的离散区域，在有缺陷的生精小管中仅留下支持细胞。出生后第 1 天（P1）未见斑片状生殖细胞丢失，但在 P10、P15 和 P21 时出现； P10 时未检测到性腺功能减退症，但在 P31 时出现。杂合子小鼠和野生型小鼠之间的血清黄体生成激素（参见 152780）和睾酮水平或精子计数和活力没有观察到显着差异。对亲本菌株进行测序证实 I242N 突变不是菌株特异性 SNP，互补分析证实 Plk4（I242N）等位基因是致病原因。哈里斯等人（2011）表明 PLK4 在第一波精子发生中发挥作用。

马丁等人（2014）发现斑马鱼中 plk4 的吗啡啉敲低会导致由于细胞增殖减少而导致体型变小。有证据表明，有丝分裂进展延迟，中心粒复制受损和纺锤体形成受损。突变斑马鱼的眼睛大小不同程度地减小，对视觉刺激的反应受损，这与含有纤毛的细胞的损失和感光层中基体的缺失有关。 Plk4缺失的动物还表现出纤毛表型，伴有脑积水、肾囊肿、腹侧弯曲和左右不对称缺陷。

▼ 等位基因变异体（4 个选定示例）：

.0001 小头畸形和脉络膜视网膜病变，常染色体隐性遗传，2
PLK4、IVS15AS、C-G、-5

Martin 等人在患有常染色体隐性小头畸形和脉络膜视网膜病变 2（MCCRP2; 616171）的巴基斯坦高度近亲家庭的 7 名受影响成员中（2014）鉴定了 PLK4 基因（c.2811-5C-G）内含子 15 中的纯合 C-G 颠换，导致最后一个 polo框结构域发生移码和提前终止（Arg936SerfsTer1）。该突变是通过连锁分析和外显子组测序相结合发现的，并通过桑格测序证实，与家族中的疾病分离。它不存在于 1000 个基因组计划或外显子组测序计划数据库中，也不存在于 286 个巴基斯坦对照中。在患者细胞中没有检测到残留的野生型 mRNA，与对照相比，其蛋白质水平降低了 15%，表明突变蛋白的不稳定。

.0002 小头畸形和脉络膜视网膜病变，常染色体隐性遗传，2
PLK4、5-BP DEL、NT1299

Martin 等人在一名来自马达加斯加的患有常染色体隐性小头畸形和脉络膜视网膜病变 2（MCCRP2; 616171）的 15 岁男孩中（2014）在 PLK4 基因的外显子 5 中鉴定出纯合 5 bp 缺失（c.1299_1303delTAAAG），导致移码和提前终止（Phe433LeufsTer6），预测蛋白质功能完全废除。该突变是通过外显子组测序发现并经桑格测序证实的，在千人基因组计划数据库或364条对照染色体中均未发现。在外显子组测序项目数据库中，它被报告为一种罕见变异（等位基因频率为 0.00016），与一种罕见的隐性遗传疾病一致。对 318 名原发性小头畸形和原始侏儒症患者的 PLK4 基因进行直接测序，发现 1 名伊朗患者携带 c.1299_1303delTAAAG 突变；单倍型分析表明存在创始人效应。对患者细胞的 RT-PCR 分析检测到 PLK4 的选择性剪接异构体的存在，其中 60 个残基的框内缺失；在这些细胞中可用于产生功能酶的 PLK4 转录物总量减少至对照的 25% 左右，这与一些残余功能一致。全长转录本大幅减少，与无义介导的 mRNA 衰减一致。与对照组相比，患者细胞的蛋白质水平降低了 36% 至 42%。

.0003 小头畸形和脉络膜视网膜病变，常染色体隐性遗传，2
PLK4、5-BP DEL、1299TAAAG

Shaheen 等人在患有常染色体隐性小头畸形和脉络膜视网膜病变 2（MCCRP2; 616171）的沙特阿拉伯近亲家庭的 3 名成员中（2014）鉴定出 PLK4 基因中的纯合 5 bp 缺失（c.1299_1303delTAAAG, NM_014264.4），导致移码和提前终止（Phe433LeufsTer6）。该突变是通过纯合性作图和候选基因测序相结合发现的，与该家族中的疾病分离。患者细胞无法用于功能研究，但预计该突变将完全废除神秘的 polo框结构域，导致中心粒组装缺陷。

.0004 意义未知的变体
PLK4、13-BP DEL、NT201

该变异被归类为意义不明的变异，因为其对生精失败的贡献尚未得到证实（参见 258150）。

Miyamoto 等人在 81 名患有无精症和组织学证实的仅支持细胞综合征的日本男性中进行了研究（2016）对 PLK4 基因进行了测序，并在 1 人中鉴定出 13 bp 缺失（c.201_213del13）的杂合性，导致移码，预计会导致过早终止密码子（Lys68Serfs71），从而截断大部分 Ser/Thr 激酶结构域以及整个 polo框域。在 948 名有生育能力的男性或公共变异数据库中均未发现该突变；父母 DNA 无法用于研究。野生型 PLK4 的过表达增加了转染 HeLa 细胞中中心粒的数量，而突变型 PLK4 的过表达则没有。此外，突变体 PLK4 没有定位到中心体，这与中心体定位所需的 C 端 polo 框的丢失一致。与对照细胞相比，用突变体PLK4转染的细胞表现出更频繁的细胞核形态异常，并且细胞核明显更大。转染细胞的 α-微管蛋白染色表明突变细胞中中心粒数量异常，并显示出不明显的微管形成。患者的睾丸组织无法用于研究。