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信号转导中依赖于磷酸化的蛋白互作结构域

Piers Nash
Ben May 癌症研究所
芝加哥大学,
美国伊利诺伊州芝加哥

Tony Pawson
Samuel Lunenfeld Research Institute
Mt. Sinai Hospital
Toronto, Ontario, Canada

胞内信号转导网络控制细胞行为的许多不同方面,并且蛋白间以及蛋白与脂质、核酸和小分子间的相互作用可形成这一网络。这种设计可让细胞的内部“线路”动态响应胞外信号,并提供灵活性,以使一组有限的信号转导蛋白在不同细胞环境下提供不同的生物学功能。例如,在轴突导向和哺乳动物大脑形成中至关重要的哺乳动物受体还可调节与出生后学习和记忆有关的突触后功能。研究此类信号转导通路的组织方式不仅与了解正常细胞如何工作有关,还与评价疾病的分子基础有关,因为许多人类疾病均是信号转导被破坏导致的。

翻译后蛋白修饰(最为显著的是通过蛋白激酶进行的磷酸化)代表一种信号转导系统被控制的共同机制。这种调节设备与信号转导蛋白的物理相互作用密不可分,因为蛋白磷酸化通常会通过为一组蛋白互作结构域生成结合位点来发挥作用,这些结合位点结合其靶标的能力依赖于磷酸化。

蛋白-蛋白相互作用会募集细胞浆多肽到激活的受体,指导它们组装成较大的复合体,随后靶向复合体到确定的亚细胞位置,并使用能与复合体底物发生相互作用的酶来确定特异性。通常,蛋白互作结构域为约含 35–150 个氨基酸的独立折叠模块,可独立于宿主蛋白表达,同时保留其结合生理伴侣的固有能力。它们的氨基末端和羧基末端通常在空间上呈密切并列,同时结合表面位于结构域的反面。这种排列方式会导致“即插即用”结构,可让结构域插入宿主多肽中,使其配体结合位点突出,以结合配体并保留结合功能。从进化方面来说,这是一种吸引力模型,会使模块结构域或暴露配体增加,从而使多肽获得新的功能,复杂性也增加。

依赖于磷酸化的蛋白互作结构域通常可检测其结合伴侣上的特定肽基序,检测方式依赖于检测序列中酪氨酸或丝氨酸/苏氨酸残基的磷酸化。对于蛋白激酶和磷酸化依赖的相互作用结构域协同激活生物化学通路的机制,可通过受体酪氨酸激酶 (RTK) 信号转导通路来说明。生长因子介导的二聚化(或诱导结构性低聚化的致癌突变)通常会激活 RTK,这会导致受体链被其相邻物交叉磷酸化。这种自磷酸化会产生两种结果。激酶结构域激活片段内的磷酸化导致会刺激催化活性的构象变化,而非催化区域(如:近膜区、羧基末端尾区或激酶插入)中酪氨酸残基或激酶结构域中激活片段的磷酸化会为细胞浆靶标的 SH2 结构域或 PTB 结构域生成结合位点。人基因组目前预计可编码 120 种在 110 种不同蛋白中发现的 SH2 结构域。SH2 结构域作为一根延伸链结合它们的配体;它们都可通过一个保守的碱性结合口袋识别磷酸化酪氨酸,同时立即结合至少 3 个羧基末端残基到磷酸化酪氨酸,结合方式不同于 SH2 结构域与另一个结构域的接合,并且可在信号转导中提供一个特异性元件。因此,受体自磷酸化位点的序列环境可确定结合激活 PTK 的含 SH2 蛋白的身份以及细胞中已激活信号转导通路的光谱。与 SH2 结构域作为一个便携式模块结合磷酸化酪氨酸信号到胞内靶标的观点一样,含 SH2 的蛋白有广泛的生物学功能,包括调节 Ras 样 GTP 酶、磷脂代谢、基因表达、细胞骨架组织和蛋白磷酸化。在许多情况下,SH2 结构域不会共价连接催化模块,而见于只有相互作用序列(如 SH2 和 SH3 结构域)的接头蛋白。这类接头蛋白能使多蛋白信号转导复合体成核,其中,复合体能将磷酸化酪氨酸信号导向至特定的胞内靶标。

含磷酸化酪氨酸的基序也可被 PTB 结构域所识别,PTB 结构域见于 IRS-1 等停靠蛋白,IRS-1 是胰岛素受体的一种主要底物。PTB 结构域通常结合 NPXY 序列,形成 B 转角;参与酪氨酸激酶信号转导的蛋白(如:IRS、Shc、FRS2 和 Dok 家族成员)的 PTB 结构域需要磷酸化 NPXY 酪氨酸来进行稳定结合。这类锚定蛋白自身有多个酪氨酸磷酸化位点,可结合含 SH2 的蛋白,例证了一系列依赖于磷酸化的蛋白间相互作用如何被用于构建信号转导通路和网络。虽然 SH2 和 PTB 结构域均可识别包含磷酸化酪氨酸的序列,但在结构上并不相关,并且它们以不同方式结合其磷酸肽配体(尽管碱性精氨酸和赖氨酸残基都具有磷酸化酪氨酸结合口袋的共同特征)。同样,越来越多的相互作用结构域均能选择性结合包含磷酸化丝氨酸/苏氨酸的基序,但结构折叠十分不同。

真核细胞中的大多数蛋白激酶会磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基,并调节细胞周期、基因表达和代谢等细胞功能方面。14-3-3 蛋白、FHA 结构域、MH2 结构域、WD40 重复序列结构域、BRCT 结构域、Polo 盒结构域、FF 结构域以及 WW 结构域均能结合包含磷酸化丝氨酸/苏氨酸的特异性肽基序。例如,FHA 结构域见于与 DNA 损伤修复有关的蛋白激酶,并可识别磷酸化苏氨酸,其中在识别 +3 残基时有特异性。受酵母中 Rad53 蛋白激酶 FHA 结构域介导的相互作用是细胞对 DNA 损伤的反应所必需的。MH2 结构域在结构上与 FHA 结构域相似,并且可见于 SMAD 蛋白,SMAD 蛋白可作为激活的 TGFβ 受体丝氨酸/苏氨酸激酶 (RSK) 的靶标。I 型 TGFβ 受体丝氨酸富集近膜区的自磷酸化可为 SMAD MH2 结构域提供一个可识别 pSer-X-pSer 基序的结合位点;结合受体的 SMAD 随后在羧基末端基序被磷酸化,导致形成一个依赖于磷酸化的 SMAD 复合体,该复合体会离开受体并转运至胞核以调节基因表达。虽然具体情况十分不同,但在通过其靶标上的相互作用结构域来识别激活 RTK 和 RSK 的特异性磷酸化基序时存在明显相似之处。

蛋白磷酸化的识别会导致复合体与其他细胞系统相互作用。例如,蛋白质泛素化以及所致的蛋白水解或受体内化通常与靶蛋白的磷酸化有关。E3 蛋白泛素连接酶 c-Cbl 的变体 SH2 结构域可用来识别酪氨酸磷酸化受体,其中 c-Cbl 会募集 E2 泛素连接酶并诱导受体单泛素化。反过来,修饰受体则通过参与内吞的泛素结合结构域蛋白被识别。同样,注定要降解的蛋白的丝氨酸/苏氨酸磷酸化能为 F-盒蛋白的 WD40 重复序列或亮氨酸富集重复序列结构域、SCF E3 泛素连接酶复合体的靶向亚基提供结合位点。通常,这会导致聚泛素化并被募集至蛋白酶体。

总而言之,有趣的是,要注意,虽然蛋白相互作用结构域的结合特性在表面上非常简单,但越来越多的证据表明,选定它们的原因在于它们具有灵活性,能够组装多蛋白分子组,并且可能介导复杂的生物功能,如设置阈值、整合信号以及产生全有或全无的转换。磷酸化可视为一种调控蛋白复合体组装的元件,从而调节细胞的动态行为。依赖于磷酸化的相互作用结构域以及其它相互作用结构域可为细胞调节提供一个高度适应且动态的平台。

CST 衷心感谢以下给我们目录和网站的蛋白结构域部分投稿的人:

Piers Nash1、Dan Lin3、Kathleen Binns2、Clark Wells2、Rob Ingham2、Terry Kubiseski2、Bernard Liu1、Matt Smith2,3、Ivan Blasutig2,3、Maria Sierra1、Caesar Lim2,3、Michael Arcé1、Jim Fawcett2 及 Tony Pawson2,3

  1. 美国伊利诺伊州芝加哥的芝加哥大学 Ben May 癌症研究所,60637
  2. 分子生物学和癌症计划 - 加拿大安大略省多伦多西奈山医院 Samuel Lunenfeld 研究所,M5G 1X5
  3. 加拿大安大略省多伦多的多伦多大学分子和医学遗传学科,M5S 1A8
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