蛋白磷酸化与蛋白激酶

第四章蛋白质磷酸化蛋白激酶、蛋白磷酸酶与信号转导一、蛋白激酶蛋白磷酸化是多种信号转导途径中的重要环节，细胞内大部分重要的生命过程都涉及蛋白磷酸化。可逆的蛋白质磷酸化：蛋白质蛋白质ATPADPP蛋白激酶H2OPi蛋白磷酸酶蛋白激酶（proteinkinase，PK）：是一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的-磷酸基转移到底物特定的氨基酸残基上，使蛋白质磷酸化，发挥其生理生化功能。（一）蛋白激酶的结构共同的结构特征：•保守的催化结构域/亚基•调节结构域/亚基•其他功能结构域PKC1.催化结构域/亚基催化核心含有12个高度保守的亚区。功能：•与蛋白质或多肽底物结合；•与磷酸供体ATP/GTP结合；•转移磷酸基到底物相应的氨基酸残基上。2.调节结构域/亚基同源性较低。作用：调节酶的活性；靶向作用，与酶的亚细胞定位有关。（二）蛋白激酶的种类真核细胞的蛋白激酶可分为五类：①丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶②酪氨酸蛋白激酶③组/赖/精氨酸蛋白激酶④半胱氨酸蛋白激酶⑤天冬氨酸/谷氨酸蛋白激酶1.丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（serine/threonineproteinkinase，S/T-PK）催化丝氨酸/苏氨酸的羟基磷酸化。NHHCCCH2OHONHHCCCH2OOPOOO（1）蛋白激酶A（proteinkinaseA，PKA）即cAMP依赖性蛋白激酶。全酶存在胞浆，被cAMP激活后，催化亚基可①调节代谢；②调节离子通道；③调节其他信号转导途径的蛋白；④进入细胞核调节基因表达。（2）蛋白激酶C即Ca2＋和磷脂依赖的蛋白激酶，受Ca2＋、DAG和PS激活。PKC有11种亚型：A组－典型PKC(classicalPKC，cPKC)：、Ⅰ、Ⅱ和活化需要Ca2＋、DAG和PS。B组－新型PKC(newPKC，nPKC)：、、(L)、、和。活化不需要Ca2＋。C组－非典型PKC(atypicalPKC，aPKC)：和/。活化不需要Ca2＋和DAG。各亚型均由一条肽链组成，分为四个保守区C1~C4和五个可变区V1~V5。•调节区：C1是膜结合区，与佛波酯、DAG和PS结合有关。C2是Ca2＋结合位点。•催化区：C3是ATP结合位点。C4是底物蛋白结合位点。PSDAGCa2+ATPPKC底物：•参与信号转导的底物，如表皮生长因子受体、胰岛素受体、T细胞受体（TCR）、Ras、GTP酶活化蛋白等；•参与代谢调控的底物，如膜上的通道和泵；•调节基因表达的底物，如转录因子、翻译因子、S6K、Raf激酶等。PKC分布：•广泛分布于各组织的胞质，以Ca2＋依赖的形式从胞质中移位到细胞膜上，此过程称之为转位。PKC转位是其活化的标志。•佛波酯（TPAorPMA）是一种促癌剂，其结构与DAG相似，可持续活化PKC，促进细胞增殖。乙酸豆蔻佛波（3）钙/钙调素依赖性蛋白激酶（CaMK）包括肌球蛋白轻链激酶（myosinlightchainkinase，MLCK）、磷酸化酶激酶、CaMKⅡ等。（4）CMGC组蛋白激酶•脯氨酸依赖性激酶（prolinedepedentkinase，PDK）•酪蛋白激酶Ⅱ（caseinkinaseⅡ，CKⅡ）家族PDK：细胞周期素依赖性蛋白激酶（cyclindepedentkinase，CDK）家族丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activatedproteinkinase，MAPK）家族糖原合成酶激酶3（glycogensynthetasekinase3，GSK3）CDK样激酶（CDK-likekinase，CLK）家族MAPK途径：EGF途径（5）蛋白激酶G即cGMP依赖性蛋白激酶（cGMP–dependentproteinkinase，PKG），以cGMP为变构剂，在脑和平滑肌中含量较丰富。（6）G蛋白偶联受体激酶有肾上腺素受体蛋白激酶（-adrenergicreceptorkinase，-ARK）、-ARK相关激酶和视紫红质激酶等。（7）核糖体S6激酶（S6K）包括S6KⅠ和S6KⅡ，能催化核糖体S6蛋白磷酸化。（8）整合素连接激酶整合素连接激酶（intergrin-linkedkinase，ILK）可直接磷酸化PKB/Akt，其活性依赖PI3K。PINCH,ILKdomainstructures&interactingpartnersECMLIM5LIM4LIM3LIM2LIM1ANKANKANKANKPHKinasedomainILKPINCHCH-ILKBP/actopaxinparvins/affixinppNck-2IntegrinsActinCytoskeletonSH2SH3SH3SH3N-terCH1CH2RTKpaxillinFERMFERMPHLIMSN-terFilaminMig-2MigfilinGenerouslyprovidedtotheCMCbyCaryWu(Apr-03)（9）DNA依赖性蛋白激酶DNA依赖性蛋白激酶（DNA-depen-dentproteinkinaes，DNA-PK）可磷酸化许多核蛋白，包括核受体、转录因子、DNA拓扑异构酶和RNA聚合酶Ⅱ等。DNA-PK可发生自主磷酸化，其催化亚基和Ku蛋白都依赖于DNA和ATP而磷酸化。2.酪氨酸蛋白激酶（PTK）是一类催化ATP上-磷酸基团转移到蛋白酪氨酸残基酚羟基上的激酶，使多种底物蛋白磷酸化，在细胞增殖、分化中起重要作用。NHHCCCH2OOPOOOOHNHHCCCH2O分类：（1）非受体酪氨酸蛋白激酶（NRTK）（2）受体酪氨酸蛋白激酶（RTK）（3）核内酪氨酸蛋白激酶（1）非受体酪氨酸蛋白激酶（NRTK）1）非受体酪氨酸蛋白激酶的重要结构域有SH1（c-Srchomologydomain1）、SH2、SH3、PH、PTB等。它们在激酶的催化反应、酶定位、活性调节以及与其他分子相互作用中起重要作用。SH结构域是Src同源结构域的简称。a）SH1结构域非受体型的PTK的催化区因与Src家族催化结构域的一级结构高度同源，因此称为Src同源结构域1（SH1）。大部分SH1区有一个自主磷酸化位点。SH1有PTK活性。b）SH2结构域主要存在于多种胞质信号蛋白中。如PIP2特异性PLC、PI3K的调节亚基（p85）、Ras-GTP酶激活蛋白（GTPaseactivatingprotein，GAP）以及crk、abl和vav原癌基因产物等。SH2能特异地识别磷酸化的酪氨酸残基以及磷酸化残基的羧基端氨基酸序列并与其相互结合。SH2的主要功能是介导胞质内多种信号蛋白的相互连接，形成蛋白异聚体复合物，从而调节信号传递。C-terminalPLCSH2domainc）SH3结构域可见于多种胞质信号蛋白及肌动蛋白结合蛋白中。SH3识别的部位是一些富含脯氨酸的区域PXXP。功能：参与PTK介导的蛋白质间的相互作用，可能在亚细胞定位和细胞骨架蛋白相互作用中起作用。SH3Domaind）PH结构域最初于一种血小板内PKC底物pleckstrin中发现的结构域，称为pleckstrin同源(pleckstrinhomology，PH)结构域。GAP、PLC等含有PH结构域，后者可同G蛋白及磷脂类分子PIP2、PIP3、IP3等结合。PLC-1的PHdomain与IP3结合血影蛋白的PHdomain与膜磷脂结合e）PTB结构域PTB结构也可识别一些含磷酸化酪氨酸的模体。ShcPTBDomain非受体酪氨酸蛋白激酶重要结构域的特点：•一个信号分子可含有两种以上的结构域，因此可同时与两种以上的其他信号分子结合。•同一类结构域可存在于多种不同的信号分子中。•本身均为非催化结构域。2）非受体酪氨酸蛋白激酶的种类分为11个家族，至少有30个成员。它们介导多种生长因子受体、细胞因子受体、淋巴细胞抗原受体以及黏附分子整合素的信号转导。a）Src激酶家族Src是原癌基因c-Src的产物，参与抗原受体、细胞因子受体和整合素介导的跨膜信号转导。Src激酶家族是一组膜结合蛋白，与受体结合存在，当配体与受体结合后被激活。Src羧基端有一酪氨酸磷酸化位点Tyr527，其磷酸化可与Src自身的SH2结构域结合。Src的SH3结构域能与分子内调节区和激酶区交界部的脯氨酸残基结合。这种结合可阻止底物与Src的结合，起自身抑制作用。其磷酸化位点是激酶的负调节点。b）JAK激酶家族JAK(Januskinase)家族成员有JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。特征性结构是有两个激酶结构域：激酶区（JH1）和激酶相关区（JH2或假SH1区）。此外，还有5个同源结构域（JH3~JH7）。JH1和JH2都与Src具有同源性。JH1JH2JAK最主要的底物是信号转导子和转录激活子（signaltranducersandactivatorsoftranscription，STAT）。STAT是一种DNA结合蛋白家族，有7个成员。它与酪氨酸磷酸化信号偶联，发挥转录调控作用。JAK家族介导细胞因子受体的跨膜信号转导。JAKSTATpathwayc）Syk/ZAP-70家族包括Syk和T细胞受体链连接蛋白-70（zetachain-associatedprotein-70，ZAP-70）。二者可介导淋巴细胞抗原受体和某些细胞因子受体的信号转导，在淋巴细胞的分化、发育和活化中具有重要作用。d）CSK家族CSK(CterminalSrc-familykinase）家族中p50CSK含有SH1、SH2和SH3结构域，能使Src的羧基端Tyr527磷酸化，从而抑制Src的活性。e）Tec家族包括Btk、Itk、Tec、Txk、Bmx等，其成员有不同的组织表达。f）黏附斑激酶黏附斑激酶（focaladhesionkinase，FAK）在黏附分子整合素介导的细胞与细胞外基质的黏附和信号转导中具有起始作用。整合素结构模型LinearstructureofFAK（2）受体酪氨酸蛋白激酶PDGF一类的跨膜受体，可磷酸化靶蛋白的酪氨酸，因此称为受体酪氨酸蛋白激酶（receptortyrosinekinase，RTK）。1）受体酪氨酸激酶的自主磷酸化位点常位于受体的羧基末端胞质域的非催化区，或质膜与酪氨酸激酶结构域之间。主要功能是与靶蛋白的SH2结构域结合，激活靶蛋白。靶蛋白与磷酸化位点的结合依赖于pTyr附近的氨基酸组成及顺序。2）受体酪氨酸激酶激活信号蛋白的机制一是信号分子的膜转位；二是通过结构改变而被激活；三是通过酪氨酸的磷酸化被激活。作为PTK底物的信号蛋白又分为具有酶活性和不具有酶活性的接头蛋白两类。3）受体酪氨酸激酶的分类a）表皮生长因子受体（EGFR）家族包括EGFR、erbB2/neu及erbB3基因表达产物。特点：胞膜外有两个富含Cys的区域，胞质内含有一个酪氨酸激酶活性区。b）胰岛素受体家族包括胰岛素受体（insulinreceptor，IR）、胰岛素样生长因子-1受体（insulin-likegrowthfactor-1receptor，IGF-1R）以及胰岛素相关受体（insulinrelatedreceptor，IRR）。c）PDGF/MCSF/SCF受体家族包括PDGF-R、PDGF-R、M-CSFR、SCFR。d）成纤维细胞生长因子受体家族成员有FGFR1、FGFR2、FGFR3及FGFR4。（3）核内酪氨酸蛋白激酶Abl即存在于胞核内，也存在于胞质中，参与转录过程和细胞周期的调节。Wee只存在于核内，可抑制cyclin-2的磷酸化，调节其活性，对细胞进入有丝分裂期具有调节作用。3.双重特异性蛋白激酶是既能使丝氨酸/苏氨酸磷酸化也能使酪氨酸磷酸化的蛋白激酶。MAPK上游激酶MAPKK或MEK（MAPK/ERKkinase）是一个双重特异性蛋白激酶，能使MAPK分子中的Thr185和Tyr187磷酸化而使该酶激活。4.组氨酸蛋白激酶（HistidineProteinKinase，HPK）HPK是磷酸化底物蛋白分子中组氨酸咪唑氮的激