Протеинфосфатаза
Протеинфосфатаза представляет собой фосфатазу фермент , который удаляет фосфатную группу из фосфорилированного аминокислотного остатка белка- субстрата . Фосфорилирование белков является одной из наиболее распространенных форм обратимой посттрансляционной модификации белков ( ПТМ ), при которой в любой момент времени фосфорилируется до 30% всех белков. Протеинкиназы (ПК) являются эффекторами фосфорилирования и катализируют перенос γ-фосфата от АТФ к определенным аминокислотам в белках. У млекопитающих существует несколько сотен ПК, которые подразделяются на отдельные суперсемейства. Белки фосфорилируются преимущественно по остаткам Ser, Thr и Tyr, на долю которых приходится соответственно 79,3, 16,9 и 3,8% фосфопротеома, по крайней мере у млекопитающих. Напротив, протеинфосфатазы (ПП) являются первичными эффекторами дефосфорилирования и могут быть сгруппированы в три основных класса на основе последовательности, структуры и каталитической функции. Самый большой класс PP — это семейство фосфопротеинфосфатаз (PPP), включающее PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 и PP7, а также протеинфосфатазу Mg. 2+ - или Мн 2+ -зависимое (PPM) семейство, состоящее в основном из PP2C. Суперсемейство протеина Tyr-фосфатазы (PTP) образует вторую группу, [1] и протеинфосфатазы на основе аспартата - третье. Протеиновые псевдофосфатазы являются частью более крупного семейства фосфатаз и в большинстве случаев считаются каталитически инертными, а вместо этого функционируют как фосфатсвязывающие белки, интеграторы передачи сигналов или субклеточные ловушки. Известны примеры трансмембранных протеинфосфатаз, содержащих как активные (фосфатазы), так и неактивные (псевдофосфатазы) домены, связанные тандемно. [1] киназы и концептуально сходен со структурой полипептида домена псевдокиназы псевдокиназ JAK. [2] [3] Полный сравнительный анализ фосфатаз и псевдофосфатаз человека был завершен Мэннингом и его коллегами. [4] Это дополнение к новаторскому анализу кинома человека, который кодирует полный набор из примерно 536 протеинкиназ человека . [5]
Механизм
[ редактировать ]Фосфорилирование включает перенос фосфатных групп от АТФ к ферменту, энергия для которого поступает в результате гидролиза АТФ в АДФ или АМФ . Однако дефосфорилирование высвобождает фосфаты в раствор в виде свободных ионов, поскольку для их обратного присоединения к АТФ потребуется затрата энергии.
Цистеин-зависимые фосфатазы (CDP) катализируют гидролиз фосфоэфирной связи через промежуточный фосфоцистеин. [6]
Свободный цистеиновый нуклеофил образует связь с атомом фосфора фосфатного фрагмента, а РО-связь, связывающая фосфатную группу с тирозином, протонируется либо подходящим образом расположенным кислым аминокислотным остатком (Asp на схеме ниже), либо молекулой воды. . Промежуточный фосфоцистеин затем гидролизуется другой молекулой воды, тем самым регенерируя активный центр для другой реакции дефосфорилирования.
Металлофосфатазы (например, PP2C) координируют 2 каталитически важных иона металлов в их активном центре. В настоящее время существует некоторая путаница в отношении идентичности этих ионов металлов, поскольку последовательные попытки их идентификации дают разные ответы. В настоящее время есть доказательства того, что этими металлами могут быть магний , марганец , железо , цинк или любая их комбинация. Считается, что гидроксильный ион, соединяющий два иона металла, участвует в нуклеофильной атаке иона фосфора .
Подтипы
[ редактировать ]Фосфатазы можно подразделить в зависимости от их субстратной специфичности.
| Сорт | Пример | Субстрат | Ссылка |
|---|---|---|---|
| Тирозинспецифические фосфатазы | ПТП1Б | фосфотирозин | [7] |
| Серин- / треонин -специфические фосфатазы | PP2C ( PPP2CA ) | Фосфосерин/-треонин | [8] |
| Фосфатазы двойной специфичности | ВХР, ДУСП1 – ДУСП28 | Фосфотирозин/-серин/-треонин | [9] |
| Гистидинфосфатаза | PHP | Фосфо-Гистидин | [10] |
Семейства серин/треониновых PP (PPM/PPP)
[ редактировать ]Протеиновые Ser/Thr-фосфатазы первоначально были классифицированы с помощью биохимических анализов как на тип 1 (PP1), так и на тип 2 (PP2), а затем были подразделены в зависимости от потребности в ионах металлов (PP2A, ионы металлов отсутствуют; PP2B, Ca 2+ стимулированный; ПП2С, Мг 2+ зависим) (Moorhead et al., 2007). Белковые Ser/Thr-фосфатазы PP1, PP2A и PP2B семейства PPP вместе с PP2C семейства PPM отвечают за большую часть активности Ser/Thr PP in vivo (Barford et al., 1998). В головном мозге они присутствуют в различных субклеточных компартментах нейрональных и глиальных клеток и участвуют в различных функциях нейронов.
ППМ
[ редактировать ]Семейство PPM, которое включает PP2C и фосфатазу пируватдегидрогеназы, представляет собой ферменты с Mn 2+ /мг 2+ ионы металлов, устойчивые к классическим ингибиторам и токсинам семейства ППП. В отличие от большинства PPP, PP2C существует только в одной субъединице, но, как и PTP, он имеет широкий спектр структурных доменов, которые наделяют уникальными функциями. Кроме того, PP2C, по-видимому, не связан эволюционно с основным семейством Ser/Thr PP и не имеет гомологии последовательностей с древними ферментами PPP. В настоящее время предполагается, что ППМ развивались отдельно от ПЧП, но сблизились в ходе эволюционного развития.
Класс I: PTP на основе Cys
[ редактировать ]ПТП класса I составляют самое большое семейство. Они содержат хорошо известные классические рецепторные (а) и нерецепторные PTP (b), строго специфичные к тирозину, и DSP (c), которые нацелены как на Ser/Thr, так и на Tyr и являются наиболее разнообразными с точки зрения специфичность субстрата.
Класс III: PTP на основе Cys
[ редактировать ]Третий класс PTP содержит три регулятора клеточного цикла: CDC25A, CDC25B и CDC25C, которые дефосфорилируют CDK на их N-конце - реакция, необходимая для управления прогрессированием клеточного цикла. Они сами регулируются фосфорилированием и разрушаются в ответ на повреждение ДНК, чтобы предотвратить хромосомные аномалии.
Класс IV: DSP на базе Asp
[ редактировать ]Суперсемейство галогенациддегалогеназ (HAD) представляет собой еще одну группу PP, которая использует Asp в качестве нуклеофила и, как недавно было показано, обладает двойной специфичностью. Эти PP могут быть нацелены как на Сера, так и на Тира, но считается, что они более специфичны для Тира. Подсемейство HAD, семейство Eyes Absent (Eya), также является фактором транскрипции и, следовательно, может регулировать собственное фосфорилирование и фосфорилирование транскрипционных кофакторов, а также способствовать контролю транскрипции генов. Комбинация этих двух функций у Eya обнаруживает большую сложность контроля транскрипционных генов, чем считалось ранее. Еще одним представителем этого класса является фосфатаза С-концевого домена РНК-полимеразы II. Хотя это семейство остается плохо изученным, известно, что оно играет важную роль в развитии и морфологии ядра.
Альтернативная структурная классификация
[ редактировать ]Многие фосфатазы беспорядочны в отношении типа субстрата или могут быстро эволюционировать, меняя субстрат. Альтернативная структурная классификация [4] отмечает, что 20 различных белковых складок обладают фосфатазной активностью, и 10 из них содержат протеинфосфатазы.
- Складка CC1 является наиболее распространенной и включает семейства тирозин-специфичных (PTP), двойной специфичности (DSP) и даже липид-специфичных (PTEN).
- Основными серин/треонин-специфичными складками являются PPM (PP2C) и PPPL (PPP).
- Единственная известная гистидинфосфатаза находится в сгибе PHP.
- Другие складки кодируют фосфатазы, которые действуют на различные комбинации pSer, pThr, pTyr и небелковых субстратов (CC2, CC3 , HAD , HP, AP , RTR1).
Физиологическая значимость
[ редактировать ]Фосфатазы действуют противоположно киназам / фосфорилазам , которые добавляют фосфатные группы к белкам. Добавление фосфатной группы может активировать или деактивировать фермент (например, сигнальные пути киназы). [11] ) или обеспечить возможность белок-белкового взаимодействия (например, домены SH2 [12] ); следовательно, фосфатазы являются неотъемлемой частью многих путей передачи сигнала . Добавление и удаление фосфатов не обязательно соответствуют активации или ингибированию ферментов, и некоторые ферменты имеют отдельные сайты фосфорилирования для активации или ингибирования функциональной регуляции. CDK , например, может быть либо активирован, либо деактивирован в зависимости от фосфорилируемого конкретного аминокислотного остатка. Фосфаты играют важную роль в передаче сигнала , поскольку они регулируют белки, к которым они прикреплены. Чтобы обратить вспять регуляторный эффект, фосфат удаляют. Это происходит само по себе путем гидролиза или опосредовано протеинфосфатазами. [13] [14]
Фосфорилирование белков играет решающую роль в биологических функциях и контролирует почти все клеточные процессы, включая метаболизм, транскрипцию и трансляцию генов, развитие клеточного цикла, перестройку цитоскелета, белок-белковые взаимодействия, стабильность белков, движение клеток и апоптоз . Эти процессы зависят от строго регулируемого и противоположного действия ПК и ПП за счет изменений фосфорилирования ключевых белков. Фосфорилирование гистонов, наряду с метилированием, убиквитинированием, сумойилированием и ацетилированием, также регулирует доступ к ДНК посредством реорганизации хроматина. [15]
Одним из основных переключателей активности нейронов является активация PK и PP повышенным внутриклеточным кальцием. Степень активации различных изоформ ПК и РР контролируется их индивидуальной чувствительностью к кальцию. Более того, широкий спектр специфических ингибиторов и партнеров по нацеливанию, таких как каркасные, якорные и адаптерные белки, также способствуют контролю PK и PP и рекрутированию их в сигнальные комплексы в нейрональных клетках. Такие сигнальные комплексы обычно способствуют сближению PK и PP с целевыми субстратами и сигнальными молекулами, а также повышают их селективность за счет ограничения доступа к этим белкам-субстратам. Таким образом, события фосфорилирования контролируются не только сбалансированной активностью PK и PP, но и их ограниченной локализацией. Регуляторные субъединицы и домены служат для ограничения специфических белков определенными субклеточными компартментами и для модуляции специфичности белка. Эти регуляторы необходимы для поддержания скоординированного действия сигнальных каскадов, которые в нейрональных клетках включают кратковременную (синаптическую) и долговременную (ядерную) передачу сигналов. Эти функции частично контролируются аллостерической модификацией вторичных мессенджеров и обратимым фосфорилированием белков. [16] [17]
Считается, что около 30% известных ПП присутствуют во всех тканях, а остальные демонстрируют некоторый уровень тканевых ограничений. Хотя фосфорилирование белков является общеклеточным регуляторным механизмом, недавние количественные исследования протеомики показали, что фосфорилирование преимущественно нацелено на ядерные белки. Многие ФП, регулирующие ядерные события, часто обогащены или присутствуют исключительно в ядре. В нейрональных клетках PP присутствуют во многих клеточных компартментах и играют решающую роль как в пре-, так и в постсинапсе, в цитоплазме и ядре, где они регулируют экспрессию генов. [18]
Фосфопротеинфосфатаза активируется гормоном инсулином , что указывает на высокую концентрацию глюкозы в крови . Затем фермент дефосфорилирует другие ферменты, такие как киназа фосфорилазы , гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза . Это приводит к тому, что киназа фосфорилазы и гликогенфосфорилаза становятся неактивными, а гликогенсинтаза активируется. В результате синтез гликогена увеличивается, а гликогенолиз снижается, а конечный эффект заключается в том, что энергия поступает и сохраняется внутри клетки. [19]
Обучение и память
[ редактировать ]Во взрослом мозге PP необходимы для синаптических функций и участвуют в негативной регуляции функций мозга более высокого порядка, таких как обучение и память. Нарушение регуляции их активности связано с рядом расстройств, включая когнитивное старение и нейродегенерацию, а также рак, диабет и ожирение. [20]
Примеры
[ редактировать ]Гены человека, кодирующие белки с активностью фосфопротеинфосфатазы, включают:
Белковая серин/треонинфосфатаза
[ редактировать ]Белковая тирозинфосфатаза
[ редактировать ]- CDC14: CDC14A , CDC14B , CDC14C , CDKN3.
- Гомологи фосфатазы и тензина: PTEN.
- рогатка: SSH1 , SSH2 , SSH3
Фосфатаза двойной специфичности
[ редактировать ]- ДУСП1 , ДУСП2 , ДУСП3 , ДУСП4 , ДУСП5 , ДУСП6 , ДУСП7 , ДУСП8 , ДУСП9
- ДУСП10 , ДУСП11 , ДУСП12 , ДУСП13 , ДУСП14 , ДУСП15 , ДУСП16 , ДУСП18 , ДУСП19
- ДУСП21 , ДУСП22 , ДУСП23 , ДУСП26 , ДУСП27 , ДУСП28
Разгруппировано
[ редактировать ]- CTDP1
- CTDSP1 , CTDSP2 , CTDSPL
- ДАЛЛАРД
- ЭПМ2А
- ИЛКАП
- МДСП
- ПГАМ5
- ПХЛПП1 , ПХЛПП2
- ППЭФ1 , ППЭФ2
- PPM1A , PPM1B , PPM1D , PPM1E , PPM1F , PPM1G , PPM1H , PPM1J , PPM1K , PPM1L , PPM1M , PPM1N
- PPTC7
- ПТПМТ1
- ССУ72
- УБЛКП1
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Тонкс Н.К. (ноябрь 2006 г.). «Белковые тирозинфосфатазы: от генов к функциям и болезням». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 7 (11): 833–46. дои : 10.1038/nrm2039 . ПМИД 17057753 . S2CID 1302726 .
- ^ Рейтерер В., Эйерс П.А., Фархан Х. (сентябрь 2014 г.). «День мертвых: псевдокиназы и псевдофосфатазы в физиологии и заболеваниях». Тенденции в клеточной биологии . 24 (9): 489–505. дои : 10.1016/j.tcb.2014.03.008 . ПМИД 24818526 .
- ^ Мендрола Дж.М., Ши Ф., Пак Дж.Х., Леммон М.А. (август 2013 г.). «Рецепторные тирозинкиназы с внутриклеточными псевдокиназными доменами» . Труды Биохимического общества . 41 (4): 1029–36. дои : 10.1042/BST20130104 . ПМЦ 3777422 . ПМИД 23863174 .
- ^ Jump up to: а б Чен М.Дж., Диксон Дж.Э., Мэннинг Дж. (апрель 2017 г.). «Геномика и эволюция протеинфосфатаз». Научная сигнализация . 10 (474): eaag1796. doi : 10.1126/scisignal.aag1796 . ПМИД 28400531 . S2CID 41041971 .
- ^ Мэннинг Дж., Уайт Д.Б., Мартинес Р., Хантер Т., Сударсанам С. (декабрь 2002 г.). «Протеинкиназный комплемент генома человека». Наука . 298 (5600): 1912–34. Бибкод : 2002Sci...298.1912M . дои : 10.1126/science.1075762 . ПМИД 12471243 . S2CID 26554314 .
- ^ Барфорд Д. (ноябрь 1996 г.). «Молекулярные механизмы белка серин/треонинфосфатазы». Тенденции биохимических наук . 21 (11): 407–12. дои : 10.1016/S0968-0004(96)10060-8 . ПМИД 8987393 .
- ^ Чжан Цзы (2002). «Белковые тирозинфосфатазы: структура и функции, субстратная специфичность и разработка ингибиторов». Ежегодный обзор фармакологии и токсикологии . 42 : 209–34. doi : 10.1146/annurev.pharmtox.42.083001.144616 . ПМИД 11807171 .
- ^ Мамби MC, Уолтер Дж. (октябрь 1993 г.). «Белковые серин/треонинфосфатазы: структура, регуляция и функции в росте клеток». Физиологические обзоры . 73 (4): 673–99. дои : 10.1152/physrev.1993.73.4.673 . ПМИД 8415923 .
- ^ Кэмпс М., Николс А., Аркинстал С. (январь 2000 г.). «Фосфатазы двойной специфичности: семейство генов для контроля функции MAP-киназы» . Журнал ФАСЭБ . 14 (1): 6–16. дои : 10.1096/fasebj.14.1.6 . ПМИД 10627275 . S2CID 17135681 .
- ^ Боймер, Николь; Мёрер, Анетт; Кригльштейн, Йозеф; Клампп, Сюзанна (2006). «Экспрессия протеингистидинфосфатазы в Escherichia coli , очистка и определение активности фермента». Протоколы протеинфосфатазы . Методы молекулярной биологии. Том. 365. стр. 247–260. дои : 10.1385/1-59745-267-X:247 . ISBN 1-59745-267-Х . ПМИД 17200567 .
- ^ Сегер Р., Кребс Э.Г. (июнь 1995 г.). «Сигнальный каскад МАПК» . Журнал ФАСЭБ . 9 (9): 726–35. дои : 10.1096/fasebj.9.9.7601337 . ПМИД 7601337 . S2CID 23298305 .
- ^ Лэдбери Дж. Э. (январь 2007 г.). «Измерение образования комплексов при тирозинкиназной передаче сигнала» . Acta Crystallographica Раздел D. 63 (Часть 1): 26–31. дои : 10.1107/S0907444906046373 . ПМК 2483503 . ПМИД 17164523 .
- ^ Дж. Б. Блиска; К.Л. Гуань; Дж. Э. Диксон; С. Фальков (15 февраля 1991 г.). «Тирозинфосфат-гидролиз белков-хозяев с помощью существенного детерминанта вирулентности Yersinia» . ПНАС . 88 (4): 1187–1191. Бибкод : 1991PNAS...88.1187B . дои : 10.1073/pnas.88.4.1187 . ПМК 50982 . ПМИД 1705028 .
- ^ Мортон, РК (апрель 1957 г.). «Кинетика гидролиза фенилфосфата щелочными фосфатазами» (PDF) . Биохимический журнал . 65 (4): 674–682. дои : 10.1042/bj0650674 . ПМК 1199935 . ПМИД 13426083 . Проверено 30 октября 2021 г.
- ^ Дорин Россетто; Никита Аввакумов; Жак Коте (2012). «Фосфорилирование гистонов» . Эпигенетика . 7 (10): 1098–1108. дои : 10.4161/epi.21975 . ПМЦ 3469451 . ПМИД 22948226 .
- ^ Линда К. Се-Уилсон; Патрик Б. Аллен; Такуо Ватанабэ; Ангус К. Нэрн; Пол Грингард (1999). «Характеристика нейронального белка спинофилина и его взаимодействия с протеинфосфатазой-1 †» . Биохимия . 38 (14): 4365–4373. дои : 10.1021/bi982900m . ПМИД 10194355 . Проверено 30 октября 2021 г.
- ^ Ён-Ми Ким; Такуо Ватанабэ; Патрик Б. Аллен; Ён-Мён Ким; Шин-Джонг Ли; Пол Грингард; Ангус К. Нэрн; Ён-Гуэн Квон (апрель 2003 г.). «PNUTS, субъединица ядерного нацеливания протеинфосфатазы 1 (PP1)» . Журнал биологической химии . 276 (16): 13819–13828. дои : 10.1074/jbc.M209621200 . ПМИД 12574161 . Проверено 30 октября 2021 г.
- ^ Л Сяо; ЛЛ Гонг; Д Юань; М Дэн; ХМ Цзэн; Л.Л. Чен; Л Чжан; Цинь Янь; Дж. П. Лю; XH Ху; СМ Сан; Дж Лю; ХЛ Ма; КБ Чжэн; Х Фу; ПК Чен; Ж. К. Чжао; СС Се; ЖЖ Чжоу; Ю. М. Сяо; ВБ Лю; Дж Чжан; Ю Лю; D WC Ли (26 февраля 2010 г.). «Протеинфосфатаза-1 регулирует путь передачи сигнала Akt1, контролируя экспрессию генов, выживаемость и дифференцировку клеток» . Смерть клеток и дифференциация . 17 (9): 1448–1462. дои : 10.1038/cdd.2010.16 . ПМИД 20186153 .
- ^ Дарья Зиброва; Рольф Гремплер; Рюдигер Штрайхер; Стефан Г. Каушке (14 мая 2008 г.). «Ингибирование взаимодействия между субъединицей протеинфосфатазы 1, направляющей гликоген, и гликогенфосфорилазой увеличивает синтез гликогена в первичных гепатоцитах крысы» . Биохимический журнал . 412 (2): 359–366. дои : 10.1042/BJ20071483 . ПМИД 18298402 . Проверено 30 октября 2021 г.
- ^ Кноблер, Хилла; Элсон, Ари (май 2014 г.). «Метаболическая регуляция протеинтирозинфосфатазами» . Журнал биомедицинских исследований . 28 (3): 157–168. дои : 10.7555/JBR.28.20140012 . ISSN 1674-8301 . ПМК 4085553 . ПМИД 25013399 .
