Протеинкиназы: строение, классификация, свойства и биологическая роль

БИОЛОГИЯ ПРОТЕИНКИНАЗЫ: СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ, СВОЙСТВА И БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ Н. Б. ГУСЕВ Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

ВВЕДЕНИЕ

PROTEIN KINASES: STRUCTURE, CLASSIFICATION, PROPERTIES AND BIOLOGICAL ROLE N. B. GUSEV

The structure and properties of protein kinases phosphorylating serine, threonine and tyrosine residues are analyzed. The modern classification based on the homology of the primary structure in the catalytic domain is presented. Examples of the involvement of protein kinases in the transmition and the amplification of a hormonal signal are discussed.

© Гусев Н.Б., 2000

Описаны строение и некоторые свойства протеинкиназ, обеспечивающих фосфорилирование остатков серина, треонина и тирозина в структуре белка. Представлена современная классификация протеинкиназ, основанная на сходстве первичных структур их каталитических доменов. Приведены примеры участия протеинкиназ в передаче и усилении гормонального сигнала.

4

www.issep.rssi.ru

Жизнедеятельность клетки невозможна без скоординированного функционирования многочисленных и разнообразных биологических катализаторов – ферментов. Большая группа ферментов, объединенная под названием “протеинкиназы”, катализирует перенос концевого остатка фосфата с АТФ на различные группы в структуре белка. Протеинкиназы разделены на пять больших классов в зависимости от того, на какие группы в структуре белка переносится остаток фосфата. Протеинкиназы первого класса переносят фосфат на спиртовые группы серина и треонина. Протеинкиназы второго класса переносят фосфат на спиртовые группу тирозина. Протеинкиназы третьего класса образуют фосфоамидные связи, перенося остаток фосфата на атомы азота гистидина, лизина или аргинина. Протеинкиназы четвертого класса фосфорилируют остатки цистеина в структуре белка. Наконец, протеинкиназы пятого класса способны фосфорилировать остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот. Мы проанализируем структуру и свойства только двух первых классов протеинкиназ. Это связано с тем, что протеинкиназы, фосфорилирующие спиртовые группы серина, треонина и тирозина, наиболее подробно исследованы и имеют много общего в структуре и свойствах. Протеинкиназы, фосфорилирующие другие остатки в структуре белка (например, ферменты, фосфорилирующие остатки гистидина и аспарагиновой кислоты), играют важную роль в хемотаксисе и осморегуляции у бактерий, грибов и в регуляторных системах растений. Однако эти ферменты кардинальным образом отличаются по структуре и свойствам от протеинкиназ, фосфорилирующих спиртовые остатки серина, треонина и тирозина. В ходе реакции, катализируемой протеинкиназами двух первых классов, нейтральная спиртовая группа белка превращается в сложный эфир, несущий большой отрицательный заряд. Введение отрицательного заряда в ранее нейтральную область может приводить к значительным изменениям в структуре белка, а значит,

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ и к изменению его свойств. Как это ни удивительно, но перенос только одного небольшого по молекулярной массе остатка фосфорной кислоты (–РО3Н2) может сопровождаться крупными структурными перестройками в молекуле белка-мишени, молекулярная масса которого может превышать десятки тысяч. Именно поэтому простая химическая модификация молекулы белка, происходящая под действием протеинкиназ, является эффективным и широко распространенным способом регуляции активности многих ферментов и других внутриклеточных белков (табл. 1). Остаток фосфорной кислоты, перенесенный протеинкиназой на спиртовую группу белка, может быть удален под действием другого фермента – фосфатазы. Таким образом, протеинкиназы и фосфатазы образуют две группы ферментов-антагонистов, способных осуществлять обратимую ковалентную модификацию белков-мишеней и тем самым регулировать их активность. Мы рассмотрим классификацию, строение и свойства серин-треониновых и тирозиновых протеинкиназ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРЫ ПРОТЕИНКИНАЗ В настоящее время в литературе описано около 200 представителей этого класса протеинкиназ. Предполагается, что в геноме млекопитающих содержится около 1000 генов, кодирующих различные протеинкиназы. Это означает, что около 1% генов млекопитающих ко-

дирует различные протеинкиназы. Таким образом, протеинкиназы образуют многочисленное семейство внутриклеточных белков. Какие же свойства характерны для столь обширного семейства белков и есть ли что-то общее в структуре этих ферментов? Протеинкиназы относятся к группе сложно устроенных ферментов. Действительно, по своей природе протеинкиназы вынуждены оперировать как минимум с двумя субстратами. Протеинкиназы должны иметь специальный центр связывания АТФ или других нуклеозидтрифосфатов, которые используются в качестве доноров остатков фосфата, а также специальный центр связывания белка-субстрата, на который осуществляется перенос фосфатной группы (рис. 1). Для того чтобы осуществить перенос фосфата с АТФ на белок, нужен специальный активный центр, содержащий определенные аминокислотные остатки, которые непосредственно участвуют в переносе фосфата от АТР на белок. Ясно, что два субстратсвязывающих участка (участок связывания АТФ и участок связывания белка-субстрата) должны располагаться поблизости и быть соответствующим образом ориентированы относительно друг друга. Только в этом случае становится возможным эффективный перенос остатка фосфата. Субстратсвязывающие участки должны обладать достаточно высокой специфичностью. Это означает, что протеинкиназы должны узнавать только свои субстраты, то есть связывать и фосфорилировать вполне определенные белки.

Таблица 1. Некоторые белки и ферменты, активность которых регулируется путем фосфорилирования и дефосфорилирования остатков серина, треонина и тирозина Группы белков и ферментов, регулируемые путем фосфорилирования

Некоторые примеры фосфорилируемых белков

Ферменты, участвующие в синтезе и распаде углеводов

Фосфорилаза Гликогенсинтаза Фосфофруктокиназа-2 Ферменты, участвующие в синтезе и распаде жиров и холестерина Гормончувствительная липаза Гидроксиметилглутарил-СоА-редуктаза Гидроксиметилглутарил-СоА-редуктаза Киназа фосфоинозитидов Белки, участвующие в метаболизме аминокислот Орнитиндекарбоксилаза Белки и ферменты, участвующие в синтезе, распаде и репарации нуклеиновых кислот РНК-полимеразы Топоизомеразы Гистоны Белки и ферменты, участвующие в синтезе белка Белки рибосом Факторы трансляции Мембранные белки и ферменты Рецепторы Транспортные АТФазы Ионные каналы Белки цитоскелета, структурные и сократительные белки Белки промежуточных филаментов Актин Тубулин Миозин Тропонин Внеклеточные белки Казеин

Г УС Е В Н . Б . П Р О Т Е И Н К И Н А З Ы : С Т Р О Е Н И Е , К Л А С С И Ф И К А Ц И Я , С В О Й С Т В А И Б И О Л О Г И Ч Е С К А Я Р О Л Ь

5

БИОЛОГИЯ Центр связывания субстрата

Центр катализа

Регуляторный центр

Центр взаимодействия с белкомрегулятором

сфорилирование (так называемое самофосфорилирование) и тем самым регулировать собственную активность. В иных случаях другие, часто высоко специализированные протеинкиназы осуществляют фосфорилирование и регуляцию активности данной протеинкиназы. В литературе описаны примеры, когда активность протеинкиназы регулируется всеми тремя описанными выше способами. ТРЕХМЕРНАЯ СТРУКТУРА ПРОТЕИНКИНАЗ

Центр связывания НТФ

Центр фосфолирирования

Рис. 1. Общая схема строения протеинкиназ. В левой части рисунка в виде полукруга, треугольника и прямоугольника изображены соответственно центры связывания белка-субстрата, АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата, НТФ) и активный центр фермента. В правой части схематически изображены регуляторные центры, обеспечивающие взаимодействие протеинкиназы с низкомолекулярными веществами, белками-регуляторами, и специальные регуляторные участки, подвергающиеся фосфорилированию

Итак, все протеинкиназы должны иметь в своем составе два субстратсвязывающих участка и каталитический центр, обеспечивающий собственно процесс фосфорилирования. Кроме этого исполнительного механизма протеинкиназы должны иметь в своей структуре специальные регуляторные элементы. Если бы протеинкиназа непрерывно и бесконтрольно катализировала фосфорилирование белков-субстратов, то в клетке наступил бы хаос. Произошло бы разбалансирование многочисленных реакций, протекающих в клетке. Практически все протеинкиназы имеют разнообразные, зачастую сложно устроенные регуляторные центры. Некоторые протеинкиназы имеют специальные регуляторные центры, которые связывают низкомолекулярные клеточные метаболиты (например, АМФ) или определенные сигнальные молекулы (такие, как циклическая ГМФ, ионы кальция или специальные фосфолипиды, см. рис. 1). Другие протеинкиназы имеют специальные центры для связывания регуляторных белков. Эти белки способны прикреплять протеинкиназы к определенным структурам внутри клетки или выступать в качестве специальных сенсоров, способных связывать низкомолекулярные сигнальные молекулы и регулировать активность протеинкиназ. Наконец, в структуре большинства протеинкиназ есть специальные участки, которые могут фосфорилироваться (рис. 1). В некоторых случаях протеинкиназа может катализировать свое собственное фо-

6

В настоящее время описана кристаллическая структура нескольких протеинкиназ, способных осуществлять фосфорилирование как остатков серина и треонина (Ser/Thr-протеинкиназы), так и остатков тирозина (Tyr-киназы). Несмотря на то что эти ферменты имеют разную субстратную специфичность, регулируются различными низкомолекулярными соединениями и взаимодействуют с разными регуляторными белками, трехмерная структура их каталитического участка имеет много общих черт. Каталитический домен (то есть участок молекулы белка, обеспечивающий собственно перенос фосфата с АТФ на белок) большинства протеинкиназ состоит как бы из двух долей, соединенных гибким шарниром (рис. 2). Верхняя N-концевая доля содержит в своем составе пять антипараллельных β-структурных участков (характерных элементов укладки полипептидной цепи белка, подробно описанных в [1]). Эти элементы изображены в виде пронумерованных красных стрелок на рис. 2, а. Помимо этого в состав N-концевой доли входит от одной до трех относительно коротких α-спиралей (характерная укладка полипептидной цепи, напоминающая скрученную пружину [1], изображенная в виде спиралей красного цвета на рис. 2, а). Эта N-концевая часть молекулы белка отвечает за связывание АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата) и его правильную ориентацию относительно каталитического и белоксвязывающего центров. Нижняя С-концевая бóльшая по своим размерам часть каталитического домена содержит пять относительно длинных α-спиральных участков (D, E, F, G и H на рис. 2, а), которые формируют своеобразный фундамент для всего каталитического домена. Две доли каталитического домена соединены шарниром, который сформирован из трех коротких β-структурных участков (стрелки 6, 7 и 8 на рис. 2, а), соединенных гибкими петлями и иногда короткими α-спиралями. В петле между β-структурными участками 6 и 7 располагается собственно каталитический участок. Короткий β-структурный участок (стрелка 9 на рис. 2, а) и участок полипептидной цепи, соединяющий восьмой β-структурный участок (стрелка 8 на рис. 2, а, б ) со спиралью F, участвуют в связывании белкового субстрата. Кроме того, в некоторых случаях в этом участке

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ 4

1

а

5 3

3

B 2

C

9

8 6

7

F D E

G

H

б

N

1

2

3

P

7

K

8

М

5

4

C

T

6

C D H E

G

F

полипептидной цепи располагаются остатки, которые могут подвергаться фосфорилированию. Таким образом, в трехмерной структуре каталитического домена большинства протеинкиназ есть как бы две доли, соединенные гибким шарниром. Верхняя доля обеспечивает связывание АТФ, а нижняя – связывание белкового субстрата. Катализ осуществляется при участии аминокислотных остатков, расположенных в шарнирном участке. Подробный анализ трехмерной структуры белка достаточно сложен, поэтому обратимся к упрощенному двухмерному изображению каталитического домена

Рис. 2. Строение каталитического домена некоторых Ser/Thr-протеинкиназ: а – ленточная модель структуры каталитического домена сАМР-зависимой протеинкиназы; β-структурные участки изображены в виде стрелок и помечены цифрами, α-спиральные участки изображены в виде спиралей и обозначены заглавными буквами латинского алфавита. Элементы структуры, участвующие в связывании АТФ, обозначены красным цветом, элементы структуры, обеспечивающие связывание белкового субстрата, – синим цветом, шарнирные участки – зеленым цветом (по: Wek R.C. eIF2kinases: Regulators of General and Gene-specific Translation Initiation // Trends Biochem. Sci. 1994. Vol. 11. P. 491–496 с упрощениями); б – двумерное изображение основных элементов структуры каталитического домена циклинзависимой протеинкиназы 2. Стрелками с цифрами обозначены участки β-структуры, цилиндрами с заглавными буквами латинского алфавита – α-спиральные участки. Буквами в центре рисунка схематически обозначено положение соответственно каталитической петли (К ), участка связывания АТФ (Р ), участка связывания белка-субстрата (Т ) и ионов магния (М ) (по: DeBondt H.L., Rosenblatt J., Jancarik J. et al. Crystal Structure of Cyclin-dependent Kinase 2 // Nature. 1993. Vol. 363. P. 595–602 с модификациями)

Ser/Thr-протеинкиназ (рис. 2, б ). На рисунке четко видны две части каталитического домена: содержащая преимущественно β-структурные участки N-концевая часть (отмечена красным цветом) и содержащая преимущественно α-спирали С-концевая часть (отмечена синим цветом). Катализ становится возможным только в том случае, если участки связывания АТФ (Р на рис. 2, б ), каталитический центр (К на рис. 2, б ), центр связывания ионов магния (М на рис. 2, б ) и центр связывания белка-субстрата (Т на рис. 2, б ) будут правильным образом ориентированы относительно друг друга. Таким образом, регулируя подвижность шарнира, соединяющего две доли каталитического домена, или влияя на ориентацию каталитического и белоксвязывающего участков, можно регулировать активность протеинкиназ. Например, фосфорилирование остатков треонина и тирозина, расположенных в петле, соединяющей восьмой β-структурный участок и спираль F (рис. 2, б ), фиксирует правильную ориентацию двух долей каталитического домена протеинкиназы, регулируемой специальными белками циклинами, а также МАР-киназы (Mitogen Activated Protein kinase, то есть протеинкиназы, активируемой факторами, управляющими процессами клеточного деления, митогенами). Поэтому фосфорилирование этих протеинкиназ сопровождается значительным увеличением их ферментативной активности. В рассмотренных примерах проанализировано строение каталитического домена двух Ser/Thr-протеинкиназ. Активность этих ферментов (цАМФ-зависимой протеинкиназы и циклинзависимой протеинкиназы)

Г УС Е В Н . Б . П Р О Т Е И Н К И Н А З Ы : С Т Р О Е Н И Е , К Л А С С И Ф И К А Ц И Я , С В О Й С Т В А И Б И О Л О Г И Ч Е С К А Я Р О Л Ь

7

БИОЛОГИЯ регулируется путем фосфорилирования определенных участков, расположенных вблизи активного центра, и путем взаимодействия со специфическими белкамирегуляторами (специальной ингибиторной регуляторной субъединицей в случае цАМФ-зависимой протеинкиназы и специальных активаторов – циклинов в случае циклинзависимой протеинкиназы). Рассмотрим строение одного из представителей так называемых Tyr-протеинкиназ, то есть ферментов, способных фосфорилировать остатки тирозина в структуре белка субстрата. Одна из Tyr-киназ получила название “src-киназа”. Такое название связано с тем, что саркому Рауса (отсюда src) птиц могут вызывать определенные вирусы, в геноме которых есть ген, кодирующий эту протеинкиназу. Как видно из рис. 3, в структуре src-киназы можно выделить две части. В левой части (желтая и зеленая на рис. 3) располагаются специальные регуляторные элементы, а в правой части (светло- и темно-синяя на рис. 3) размещается каталитический домен. Строение этого каталитического домена удивительно похоже на строение каталитического домена Ser / Thr-протеинкиназ. Действительно, верхний (светло-голубой) субдомен, содержащий преимущественно β-структурные участки, участвует в связывании АТФ, а в нижнем (темно-синем) субдомене располагается центр связывания белка-субстрата. Активный центр находится в щели, разделяющей светло- и темно-синие субдомены. Вблизи активного центра располагается гибкая петля (изображена в виде пунктира), которая может участвовать в регуляции активности фермента. Вероятно, наибольший интерес представляет регуляторный домен src-киназы. В N-концевой части srcкиназы располагаются два участка с консервативной первичной структурой. Первый, так называемый SH3мотив (SH расшифровывается как src-homology, то есть гомология с src-киназой) встречается в структуре многих белков. Этот относительно консервативный участок, часто обозначаемый термином “мотив”, способен узнавать и прочно взаимодействовать с участками полипептидных цепей, имеющих в своей структуре определенным образом расположенные остатки пролина (так называемая полипролиновая спираль II типа). В структуре src-киназы такой участок (отмечен красным цветом на рис. 3) находится в области шарнира между регуляторным и каталитическим доменами. Таким образом, расположенный в N-концевой области SH3 может регулировать ориентацию АТФ-связывающего участка в каталитическом домене белка. Второй регуляторный элемент, располагающийся в N-концевой части белка, представлен так называемым SH2-мотивом (отмечен желтым цветом на рис. 3). Последовательность аминокислот в SH2-мотиве тоже достаточно

8

а

б

N-концевая доля киназного домена

SH3

Район PP II

Активный центр

SH2

Карман для С-концевой регуляторный фосфотирозина хвост

С-концевая доля киназного домена

Рис. 3. Ленточная модель структуры части полипептидной цепи src-киназы: а – вид сверху, б – вид сбоку. Регуляторный SH3-мотив (зеленого цвета) взаимодействует с участком полипептидной цепи (участок РРII, отмечен красным цветом), соединяющим регуляторный домен с АТФсвязывающим участком каталитического домена (светло-синий). В С-концевом регуляторном хвосте (красного цвета) располагается фосфорилируемый остаток тирозина, который может захватываться внутрь кармана для фосфотирозина, образованного регуляторным SH2-мотивом (желтый цвет) (по: Williams J.C., Wierenga R.K., Saraste M. Insight into Src Kinase Functions: Structural Comparisons // Trends Biochem. Sci. 1998. Vol. 23. P. 179–184 с упрощениями)

консервативна и встречается в составе многих белков. Первичная структура SH2-мотива обеспечивает узнавание и связывание с участками полипептидной цепи, имеющими в своем составе остатки фосфорилированного тирозина. В С-концевой области фермента (обозначена оранжевым цветом на рис. 3) есть остаток тирозина, который может фосфорилироваться или под действием самой src-киназы, или под действием других Tyr-киназ. Если это происходит, то фосфотирозин попадает в так называемый карман для фосфотирозина, являющийся главной составной частью SH2-мотива.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ При этом происходит переориентация С-концевого участка каталитического домена и оказывается невозможным протекание каталитической реакции. Таким образом, SH3 контролирует ориентацию АТФ-связывающего участка, а SH2 – ориентацию субстратсвязывающего участка. В ингибированном состоянии SH2- и SH3-участки регуляторного домена узнают и взаимодействуют со специальными участками в структуре каталитического домена одной и той же молекулы фермента. Важно отметить, что участки, узнаваемые SH2- и SH3-мотивами, широко распространены и встречаются в структурах многих белков. Если src-киназа оказывается поблизости от белков, содержащих в своей структуре полипролиновые спирали или фосфорилированные остатки тирозина, то регуляторные элементы фермента как бы получают возможность выбора. SH2- и SH3-участки данной молекулы фермента могут либо оставаться в контакте с соответствующими группами внутри своей же молекулы белка, либо контактировать с соответствующими группами в структуре другой молекулы белкапартнера. Если регуляторные участки “отвлекаются” от блокирования собственного каталитического центра, то фермент приобретает активность и начинает катализировать фосфорилирование белков субстратов. Одновременно с этим за счет межмолекулярных взаимодействий src-киназа оказывается прикрепленной к совершенно определенным белкам-якорям. Эти белки обеспечивают адресное распределение протеинкиназы внутри клетки. Таким образом, в структуре полипептидной цепи src-киназы есть все элементы, необходимые для управляемого катализа и определенной ориентации фермента внутри клетки. Приведенные примеры убедительно свидетельствуют о том, что общая архитектура строения каталитического домена различных протеинкиназ довольно консервативна. В то же время в первичной структуре каталитических доменов различных протеинкиназ есть определенные различия, которые, впрочем, не приводят к драматическому изменению укладки полипептидной цепи. Регуляторные элементы различных протеинкиназ крайне разнообразны. Как уже отмечалось, активность протеинкиназ может регулироваться низкомолекулярными соединениями, специальными белками – активаторами или ингибиторами, а также путем фосфорилирования. Есть несколько способов классификации протеинкиназ. Первые классификации были основаны на различиях в способе регуляции активности. Такие классификации просты и наглядны, однако они не учитывают сходства в первичных структурах анализируемых белков и поэтому не могут быть использованы для установления эволюционных отношений в семействе протеинкиназ. Современная классифи-

кация протеинкиназ основывается на сопоставлении первичных структур каталитических доменов. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОТЕИНКИНАЗ По мере накопления сведений о первичной структуре протеинкиназ и установлении трехмерной структуры некоторых представителей этого класса ферментов стало возможным создание классификации, в основу которой положен анализ последовательности аминокислот в каталитическом домене фермента (табл. 2). К первому, так называемому A-G-C-классу относят ферменты, активность которых регулируется циклическим АМФ (буква А в названии класса), циклическим ГМФ (буква G в названии класса) и так называемые протеинкиназы С (буква С в названии класса), активность которых может регулироваться диацилглицеролом, фосфолипидами и ионами кальция. Ферменты этого класса могут быть мономерными белками (как, например, протеинкиназа С), где все регуляторные элементы находятся в составе одной полипептидной цепи. Другие представители этого класса могут быть димерами (цГМФ-зависимая протеинкиназа) или гетероолигомерами (цАМФ-зависимая протеинкиназа, см. табл. 2). В этом случае регуляция активности может осуществляться либо путем изменения структуры димера, либо путем обратимой ассоциации каталитических и регуляторных субъединиц. Активность ферментов класса A-G-C регулируется различными так называемыми вторичными посредниками (цАМФ, цГМФ, кальций, фосфолипиды), концентрация которых внутри клетки может меняться под действием первичных посредников (гормонов, гормоноподобных веществ и электрической стимуляции). Второй класс протеинкиназ обозначен как Са-кальмодулин-зависимые протеинкиназы (см. табл. 2). Ферменты этого класса, как правило, состоят из каталитической и одной или нескольких регуляторных субъединиц. В подклассе истинных Са-кальмодулинзависимых протеинкиназ одной из регуляторных субъединиц обязательно является кальмодулин – универсальный Сасвязывающий белок, широко распространенный в различных органах и тканях [3]. При этом кальмодулин может прочно взаимодействовать с каталитической субъединицей и являться интегральной частью фермента (как, например, в случае киназы фосфорилазы) или взаимодействовать и активировать каталитическую субъединицу только в определенных условиях (как, например, в случае киназы легких цепей миозина). Некоторые представители этого подкласса способны образовывать сложные олигомерные комплексы (например, многофункциональная Са-кальмодулинзависимая протеинкиназа II типа, см. табл. 2). В этой группе ферментов выделяют отдельный подкласс сложно

Г УС Е В Н . Б . П Р О Т Е И Н К И Н А З Ы : С Т Р О Е Н И Е , К Л А С С И Ф И К А Ц И Я , С В О Й С Т В А И Б И О Л О Г И Ч Е С К А Я Р О Л Ь

9

БИОЛОГИЯ Таблица 2. Упрощенная классификация Ser/Thr- и Tyr-протеинкиназ, основанная на первичной структуре их каталитического домена (по [2] с изменениями и упрощениями). C-каталитические субъединицы, R, R' и R" – различные регуляторные субъединицы Класс

Подкласс

Семейство

A-G-C-протеинкиназ Циклонуклеотидзави- цАМФ-зависимые киназы симые киназы цГМФ-зависимые киназы Фосфолипидзависи- Киназы, зависящие от кальция мые киназы Киназы, не зависящие от кальция Са-кальмодулинза- Истинные Са-кальмо- Многофункциональные Сависимые протеинки- дулинзависимые ки- кальмодулинзависимые проназы назы теинкиназы Киназа фосфорилазы

C-M-G-протеинкиназы

Тирозиновые протеинкиназы

Неклассифицированные протеинкиназы

АМФ-зависимые киназы Циклинзависимые киназы МАР-киназы

АМФ-зависимые киназы

Несколько семейств циклинзависимых киназ Стрессактивируемые киназы, р42, р44 киназы Киназы гликогенсин- Киназа гликогенсинтазы 3 тазы 3 Казеинкиназа II

Растворимые тирозиновые киназы Мембрансвязанные тирозиновые киназы

Более 10 семейств (src, brk, tec, csk, fes, abl, jak и т.д) Многочисленные семейства киназ-рецепторов гормонов и факторов роста Киназы МАР-киназы Киназы МАР-киназ и киназы киназ МАР-киназ Казеинкиназы I типа Несколько семейств

построенных протеинкиназ, активность которых зависит от концентрации АМФ (см. табл. 2). Повышение концентрации АМФ свидетельствует об истощении энергетических ресурсов клетки. Поэтому, связываясь с ферментом, АМФ активирует протеинкиназу, которая фосфорилирует определенные белки-мишени и тем самым ингибирует энергопотребляющие и активирует энергосберегающие процессы в клетке. Третий C-M-G-класс протеинкиназ довольно гетерогенен. К этому классу относят циклинзависимые протеинкиназы (буква C в названии), так называемые МАР-киназы (буква М в названии) и ферменты, способные фосфорилировать гликогенсинтазу (фермент, участвующий в синтезе гликогена) (буква G в названии). Ферменты этого класса могут быть мономерами (как, например, МАР-киназа) или образовывать комплексы со специальными регуляторными субъединицами (циклинзависимые протеинкиназы, казеинкиназа II типа). Активность этих протеинкиназ регулируется различными внутриклеточными метаболитами (например,

10

Некоторые регуляторы Возможный субъединичный состав ферментативной активности R2C2 C2 C

цАМФ, фосфорилирование цГМФ, фосфорилирование Диацилглицерол, фосфолипиды, Са2+

CnRn

Са2+, кальмодулин, фосфорилирование

(CRR'R")4R"4 CR'R"

Са2+, кальмодулин, фосфорилирование АМФ, фосфорилирование

CR

Фосфорилирование

C

Фосфорилирование

C

C2R2

Фосфорилирование Самофосфорилирование, полиамины Фосфорилирование, регуляторные белки Гормоны, фосфорилирование

C

Фосфорилирование

C

Mg2+

C2R2

C

полиаминами), а также путем самофосфорилирования или фосфорилирования под действием специальных протеинкиназ. В этом случае сама протеинкиназа (например, МАР-киназа) является субстратом для другой протеинкиназы, активность которой, в свою очередь, может регулироваться либо путем фосфорилирования, либо под действием какого-то вторичного посредника (цАМФ, ионы кальция, специальные фосфолипиды). Фосфорилирование вообще является одним из наиболее универсальных способов регуляции активности протеинкиназ (см. табл. 2). Четвертый класс представлен различными Tyrкиназами. К этому классу отнесены протеинкиназы, способные фосфорилировать остатки тирозина в белках-мишенях. Описано несколько подклассов растворимых Tyr-киназ, примером которых может быть src-киназа, описанная в предыдущем разделе. Помимо этого известны несколько классов мембрансвязанных протеинкиназ. Это сложно построенные белки, состоящие как бы из трех частей (рис. 4). Одна часть белка,

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0

БИОЛОГИЯ расположенная с наружной стороны клетки, выполняет функции своеобразной антенны и улавливает (связывает) специфические гормоны (например, инсулин, эпидермальный фактор роста). Другая часть белка обеспечивает его встраивание в мембрану и удержание в правильной ориентации. Наконец, третья, цитозольная часть белка содержит в своем составе каталитический домен, способный осуществлять фосфорилирование по остаткам тирозина. Фосфорилированию может подвергаться как сам фермент-рецептор, так и другие белки-субстраты (см. рис. 4). При этом фосфорилирование возможно только до тех пор, пока наружная часть белка находится в комплексе с гормоном. Как уже отмечалось, в структуре многих цитозольных белков есть специальные SH2-мотивы, которые способны узнавать и взаимодействовать с фосфорилированными остатками тирозина. Поэтому сразу после самофосфорилирования рецептор оказывается способным взаимодействовать с цитозольными белками, имеющими в своей структуре SH2-мотив (полукруг на рис. 4). Такой “прилипший” к рецептору цитозольный белок, в свою очередь, может стать субстратом для фосфорилирования по остаткам тирозина, и к нему могут “прилипать” другие цитозольные белки. Вследствие такой последовательности реакций на цитозольной стороне рецептора может собираться гирлянда белков, часть из которых может быть ферментами, функционирующими только в составе таких сложных многокомпонентных комплексов. В пятый класс объединены неклассифицированные протеинкиназы. Эти зачастую мономерные ферменты, активность которых может регулироваться под действием низкомолекулярных клеточных метаболитов (см. табл. 2). Часть этих ферментов обладает необычной смешанной специфичностью и способна фосфорилировать как остатки серина и треонина, так и остатки тирозина (киназа МАР-киназы). УЧАСТИЕ ПРОТЕИНКИНАЗ В ПЕРЕДАЧЕ И УСИЛЕНИИ ГОРМОНАЛЬНОГО СИГНАЛА Механизмы участия протеинкиназ в передаче гормонального сигнала столь разнообразны и многочисленны (см., например, [4–6]), что не могут быть описаны в короткой статье. Поэтому приведем только один из самых простых примеров участия протеинкиназы В в передаче сигнала от рецептора инсулина внутрь клетки. Как уже отмечалось, связывание инсулина активирует самофосфорилирование инсулинового рецептора по остаткам тирозина и сопровождается прикреплением к инсулиновому рецептору специального белка СИР-1 (см. рис. 4). СИР-1, в свою очередь, фосфорилируется по остаткам тирозина инсулиновым рецептором и выступает в качестве своеобразного якоря, закрепляюще-

Связывание инсулина

ИНС

Самофосфорилирование рецептора

P

P P

P

P

P

Связывание СИР-1 Связывание белков, содержащих SH2-мотив

P

P

P P

P

P

P P

P

P

P P P

P

P

P

P

P

P P

P

P

P

P

СИР-1

P P

P

P

P P

P

P

Рис. 4. Схема строения инсулинового рецептора. Рецептор состоит из четырех полипептидных цепей, имеет структуру α2β2 и располагается на наружной мембране клеток. Связывание инсулина с наружной стороны мембраны активирует каталитический протеинкиназный домен, и это приводит к самофосфорилированию рецептора по остаткам тирозина (Р). С фосфорилированным рецептором взаимодействует специальный белок СИР-1 (субстрат инсулинового рецептора 1), который также подвергается фосфорилированию по остаткам тирозина. Различные цитозольные белки, имеющие в своей структуре SH2-мотивы (изображены в виде полукругов), взаимодействуют с фосфорилированным СИР-1 и фиксируются поблизости от наружной мембраны клетки (по: Meisenberg G., Simmons W. Principles of Medical Biochemistry. St. Lousi: Mosby Publ., 1998 с изменениями и упрощениями)

го вблизи мембраны специальный белок с молекулярной массой 85 кДа (р85 на рис. 5). К этой гирлянде белков присоединяется фермент с молекулярной массой 110 кДа, способный превращать один из фосфолипидов мембраны (фосфатидилинозитол-3-фосфат – PIP) в два других фосфолипида (фосфатидилинозитол3,4-дифосфат – PIP2 и фосфатидилинозитол-3,4,5трифосфат – PIP3) (см. рис. 5). Только после синтеза этих новых фосфолипидов неактивная протеинкиназа В (ПКВ) может переходить из цитозоля и закрепляться на этих вновь образованных компонентах мембраны. Фиксированная на мембране протеинкиназа В фосфорилируется под действием двух протеинкиназ (PDK1 и Ser473 kinase). Это приводит к активации протеинкиназы В и ее диссоциации от мембраны. Освободившаяся в цитозоль протеинкиназа В фосфорилирует и тем

Г УС Е В Н . Б . П Р О Т Е И Н К И Н А З Ы : С Т Р О Е Н И Е , К Л А С С И Ф И К А Ц И Я , С В О Й С Т В А И Б И О Л О Г И Ч Е С К А Я Р О Л Ь

11

БИОЛОГИЯ самым влияет на активность разнообразных белковсубстратов. Среди этих белков-субстратов могут быть различные протеинкиназы и фосфатазы (а также ингибиторы фосфатаз), ферменты, участвующие в синтезе и распаде углеводов и жиров, а также специальные факторы, участвующие в синтезе белка на рибосомах (см. табл. 1). Совокупное действие этих белков приводит к тому, что ускоряется транспорт глюкозы из крови внутрь клетки и возрастает синтез полисахаридов внутри клетки. Фосфатаза (РР2А на рис. 5) дефосфорилирует протеинкиназу В и переводит ее в неактивную форму. Тем самым фосфатаза способствует тушению сигнала, инициированного связыванием гормона с рецептором на поверхности клетки. Другие фосфатазы обеспечивают дефосфорилирование белков-субстратов, фосфорилированных протеинкиназой В. В приведенном примере в передаче гормонального сигнала принимают участие как минимум четыре протеинкиназы (инсулиновый рецептор, PDK1, Ser473 kinase и собственно протеинкиназа В). При этом наблюдается определенная иерархия, и действие протеинкиназ, наPIP2 PIP3

Рецептор инсулина

P P

p85 P СИР-1

P

PDK1

p110

Неактивная ПКВ

Ser473 kinase

АТФ АДФ Pi

Неактивная ПКВ

Активная ПКВ P P

Активная ПКВ PP2A P P

Рис. 5. Схема регуляции активности протеинкиназы В. Связывание инсулина приводит к самофосфорилированию рецептора и сборке вблизи мембраны клетки гирлянды белков, одним из компонентов которой является белок р110. Этот белок катализирует синтез двух новых фосфолипидов (PIP2 и PIP3), которые используются в качестве посадочной площадки для неактивной формы протеинкиназы В (ПКВ). Только после посадки на мембрану протеинкиназа В может фосфорилироваться под действием двух протеинкиназ (PDK1 и Ser473 kinase). Фосфорилированная ПКВ переходит в активное состояние, диссоциирует от мембраны и фосфорилирует разнообразные внутриклеточные белки. Фосфатаза (РР2А) дефосфорилирует протеинкиназу В и переводит ее в неактивное состояние (по: Millward T.A., Zolnierowicz S., Hemmings B.A. Regulation of Protein Kinase Cascades by Protein Phosphatase 2A // Trends Biochem. Sci. 1999. Vol. 24. P. 186–191 с упрощениями)

12

ходящихся в конце цепочки реакций, зависит от функционирования протеинкиназ, находящихся в самом начале цепочки. Это обеспечивает не только передачу, но и значительное усиление гормонального сигнала. Действительно, связывание одной молекулы гормона приведет к тому, что белок р110 сможет синтезировать, например, несколько десятков молекул PIP2 и PIP3 . Это означает, что появится несколько десятков мест посадки протеинкиназы В на мембране и вследствие этого, сменяя друг друга, несколько сот молекул протеинкиназы В будут фосфорилированы и переведены в активированное состояние. Активированные молекулы протеинкиназы В смогут профосфорилировать несколько тысяч или даже несколько десятков тысяч белков-субстратов. И только после этого фосфатаза дефосфорилирует протеинкиназу В и переведет ее в неактивное состояние. Таким образом, протеинкиназы (совместно с фосфатазами) являются исключительно важным звеном в передаче и усилении гормонального сигнала. Протеинкиназы – многочисленное семейство внутриклеточных ферментов. Каталитический домен протеинкиназ имеет довольно консервативную третичную структуру и обеспечивает перенос терминального остатка фосфата от АТФ (или другого нуклеозидтрифосфата) на оксигруппы серина, треонина или тирозина белка. Регуляторные участки протеинкиназ крайне разнообразны, поэтому активность этих ферментов может точно и тонко регулироваться. Вследствие всех перечисленных свойств протеинкиназы играют исключительно важную роль в передаче сигнала внутрь клетки. ЛИТЕРАТУРА 1. Наградова Н.К. Внутриклеточная регуляция формирования нативной пространственной структуры белков // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 7. С. 10–18. 2. Hanks S.K., Hunter T. The Eukaryotic Protein Kinase Superfamily: Kinase (Catalytic) Domain Structure and Classification // FASEB J. 1995. Vol. 9. P. 576–596. 3. Гусев Н.Б. Внутриклеточные Са-связывающие белки. Ч. 2. Структура и механизм функционирования // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 5. С. 10–16. 4. Болдырев А.А. Регуляция активности мембранных ферментов // Там же. 1997. № 6. С. 21–28. 5. Филиппов П.П. Как внешние сигналы передаются внутрь клетки // Там же. 1998. № 3. С. 28–34. 6. Ткачук В.А. Молекулярные механизмы нейроэндокринной регуляции // Там же. № 6. С. 16–20.

Рецензенты статьи О.Н. Кулаева, Н.К. Наградова *** Николай Борисович Гусев, доктор биологических наук, профессор кафедры биохимии МГУ. Область научных интересов – биохимия мышц. Автор более 90 научных работ.

С О Р О С О В С К И Й О Б РА З О В АТ Е Л Ь Н Ы Й Ж У Р Н А Л , Т О М 6 , № 1 2 , 2 0 0 0