PKA和PKC的分子结构和作用机制

PKA和PKC的分子结构和作用机制王建沅宁波大学摘要：蛋白激酶PKA和PKC是G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路中的重要的信号转导因子，参与多种细胞功能活动的调节，在细胞通讯中发挥着不可替代的作用。本文主要论述了PKA和PKC的分子结构特征以及在信号转导过程中的作用机制。关键词：细胞通讯；PKA；PKC；分子结构；作用机制TheMolecularStructureandMechanismofPKAandPKCAbstract:proteinkinasePKAandPKCareimportantsignaltransductionfactorsparticipatingincellsignalingpathwaysmediatedbyGprotein,involveavarietyofcellularfunctionalactivitiesandplayanirreplaceableroleincellcommunication.ThispapermainlydiscussedthemolecularstructurecharacteristicsandthemechanismofPKAandPKCinsignaltransduction.Keywords:Cellcommunication;PKA;PKC;Molecularstructure;Mechanismofaction1引言蛋白激酶可以通过使其他蛋白发生磷酸化作用而改变它们的活性，生物信号在细胞内传递的基本和主要方式就是蛋白激酶和蛋白磷酸酶催化的蛋白质磷酸化和去磷酸化(即“可逆蛋白质磷酸化作用”)[1]。简单地说，蛋白激酶在细胞中起到了“开关”的作用，通过磷酸化控制某些蛋白质的活性，调控细胞信号的传导和功能活性的发挥。可逆蛋白质磷酸化作用的发现在细胞生物学发展史上具有重要的意义，由此美国西雅图华盛顿大学医学院两位生物化学家克雷布斯(E.G.Krebs)和费希尔(E.H.Fischer)荣获了1992年的诺贝尔医学奖[2]。“可逆蛋白质磷酸化作用”是细胞内信息代谢的主要动力和方式，在细胞代谢、生长、分化、增殖和癌变的调控中具有本质意义[3]。其在细胞中的“开关”作用使人们想到可以通过人工手段对功能蛋白(酶)磷酸化和去磷酸化修饰实现定向地调节细胞代谢、生长、分化、增殖。这一方法在医药、食品和化学工业等方面都具有广泛的应用价值。蛋白激酶的定义是能催化腺苷三磷酸(ATP)上的γ-磷酸转移到蛋白质分子中的丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)残基羟基、酪氨酸(Tyr)残基酚羟基,或赖氨酸(Lys)残基的ε-氨基、组氨酸(His)残基之咪唑基和精氨酸(Arg)残基之胍基上的一类磷酸转移酶。目前发现真核细胞蛋白激酶超家族所含蛋白激酶总计有434种[4]。蛋白激酶A(PKA)白激酶C（PKC）都是G蛋白耦联受体所介导的细胞信号通路的组成成分。PKA主要参与以cAMP为第二信使的信号通路，而PKC参与磷脂酰肌醇双信号通路。本文主要描述了一下PKA和PKC的分子结构以及参与细胞功能调控地作用机制。2PKA2.1PKA的分子结构特征2.1.1蛋白激酶A(PKA)的结构无活性的PKA由2个调节蛋白亚基R和2个催化亚基C组成的四聚体[5]。R亚基有两种类型，分别为I类(RI)：RI49kD，由RI和RI构成；II类(RII)：RII55kD，由RII和RII构成，C亚基40kD，由C、C、Cγ构成，PKA全酶：R2C2180kD。2.1.2R亚基的结构特点R亚基有三个结构域[6]，N端为二聚化结构域，负责与另一个R基聚合；C端有两个cAMP的结合位点，分别为A、B结构域，cAMP与R亚基结合是以协同方式发生的，A结构域与第一个cAMP的结合会降低B结构域与第二个cAMP结合的解离常数；二聚化结构域和cAMP结构域之间为假底物模体(在RI)或真底物模体(在RII)，其氨基酸组成分别为RRNAIH(RI)和RRVSVC(RII)，其功能是与C亚基结合，产生自身抑制作用。2.1.3C亚基的结构特点N端有一个ATP结合区[6]，富含甘氨酸序列：GXGXXGX16K;在Lys72和Glu91形成离子对，Ala70与腺苷酸的识别有关；催化中心位于分子中部，具有结合多肽底物和催化磷酸基团转移的作用，R165DLK168PEN171氨基酸残基构成一个环，其中D166(ASP)是磷酸基团转移的基础，K168(Lys)具有稳定中间态和降低活化能的作用，Asp184是金属离子的结合位点。2.2PKA的激活机制PKA的功能是激发底物磷酸化，即将ATP上的磷酸基团转移到特定蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基上进行磷酸化,被PKA磷酸化了的蛋白质可以调节靶蛋白的活性。以cAMP为第二信使的信号通路的主要效应是通过活化PKA使下游靶蛋白磷酸化，从而影响细胞代谢和细胞行为，这是细胞快速应答胞外信号的过程；另外还有细胞缓慢应答胞外信号的过程，其反应链可表示为：激素—G蛋白耦联受体—G蛋白—腺苷酸环化酶—cAMP—PKA—基因调控蛋白—基因转录[7]。PKA发挥催化功能的第一步是PKA的活化。在没有cAMP时，PKA以钝化复合体形式存在。当细胞膜上的G蛋白耦联受体与配体结合后，G蛋白活化，促使腺苷酸环化酶产生cAMP后，cAMP与调节亚基R结合，改变R构象，使调节亚基R和催化亚基C解离，释放出催化亚基，从而使PKA活化。其活化途径可以用下图表示：(引自于)2.3PKA的作用机制PKA既可直接修饰细胞质中的底物蛋白，使之磷酸化后立即起作用，也可以进入细胞核作用于基因表达的调控蛋白(如CREB)，启动基因的表达[8]。可被PKA活化的一些底物以一下表格列出：肌钙蛋白Ⅰ磷酸化酶激酶肌糖原合成酶激素敏感性脂酶丙酮酸激酶乙酰胆碱受体δ肝酪氨酸羟化酶S6核糖体蛋白磷酸化酶激酶α蛋白磷酸酶抑制剂-1磷酸化酶激酶β肌球蛋白轻链激酶乙酰CoA羧化酶果糖-1，6-二磷酸酶磷酸果糖激酶CREB(cAMP效应元件结合因子磷酸酶-1蛋白虽然PKA在不同类型的细胞作用于不同底物，但PKA总是磷酸化相同基序X-Arg-（Arg/Lys)-X-(Ser/Thr)-ψ(X代表任意氨基酸，ψ代表疏水氨基酸）中的Ser和Thr残基[7]。（引自于）以上是哺乳动物细胞中糖原分解调控图，作为第二信使cAMP通过PKA激活细胞质中的靶酶引起信号转转导的例子说明PKA的作用机理：首先，胰高血糖素或肾上腺素同G蛋白耦联受体结合，通过G蛋白激活腺苷酸环化酶，激活的腺苷酸环化酶催化ATP生成cAMP。在细胞质中cAMP同蛋白激酶A的调节亚基的别构部位结合，激活PKA。激活的PKA有多种作用底物，包括磷酸化酶激酶和糖原合成酶。糖原合成酶磷酸化后失去活性，阻止葡萄糖合成糖原。磷酸化酶激酶通过磷酸化激活自身的酶活性，从而催化磷酸化酶的磷酸化(将磷酸基团加到磷酸化酶特异的苏氨酸残基上)。被激活的磷酸化酶可将糖原磷酸化而分解成1-磷酸葡萄糖,最后生成葡萄糖进入血液循环。此外，PKA进入细胞核，通过氨基端激酶诱导域(KID)磷酸化来活化CREB,从而调节相应基因的转录，从基因水平上抑制糖原的合成。3PKC3.1蛋白激酶C（PKC）的分子结构根据不同亚单位在结构和功能上的特点，可将PKC分为经典PKC(conventionalPKC，cPKC)、新型PKC(novelPKC,nPKC)和非经典型PKC，aPKC)[9]。cPKC包括α、β-Ⅰ、β-Ⅱ、γ亚单位；nPKC包括δ、ε、η、θ亚单位；aPKC包括ξ、λ亚单位。各亚基在哺乳动物体内分布的位置不同。PKC分子中有4个比较保守的区域，从N端到C端分别命名为C1-C4结构域。C1是DAG的结合位点，C2是Ca2+的结合位点，C1和C2构成PKC的调节区。C3有一个ATP结合基序，提供能量和磷酸基团，C4为底物结合区，C3和C4构成PKC的催化区。nPKC家族无经典的C2结构域，aPKC仅有C1结构域。本文主要描述的是cPKA的作用机制。各亚基在哺乳动物组织中的分布PKC亚基氨基酸残基数分子量（道尔顿）激活分子分布的组织经典PKCα67276799PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC分布广泛βⅠ67176790PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC特定组织βⅡ67376933PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC大部分组织γ67978366PS/Ca2+/DG/FFA/LysoPC中枢神经系统新型PKCδ67377517PS/DG分布广泛ε73783474PS/DG/FFA脑及其他组织η68377972心脏、皮肤、肺θ70781571主要分布于骨骼肌非经典PKCξ59267740PS/.FFA分布广泛λ48567200卵巢、睾丸等DG:二酰甘油；ps：磷脂酰丝氨酸；FFA：顺式不饱和脂肪酸；LysoPC：溶血性磷脂胆碱(引自于倪同尚等,蛋白激酶C的分子生物学特征及研究进展)3.2PKC的激活机制所有类型的PKC都有一个N端假性底物结构域，与激活结构域几乎一样，只是它的Ser/Thr被Phe取代，假型底物结构域占据PKC分子底物结合部位[10]。在未收到刺激的细胞中，PKC以非活性形式分布于细胞质中，当细胞接受外界信号刺激时，磷脂酰肌醇-4,5-二肌酸（PIP2）水解生成DAG和IP3，质膜上DAG积累。IP3引起细胞内钙库释放Ca2+，导致细胞质基质中PKC转位到质膜内表面，DAG与PKC的C1结构域结合，引起PKC变构，解除自我抑制变成活化状态。PKC的活化过程可以用下图表示：(引自于)3.3PKC的作用机制激活后的PKC进而使不同类型细胞中不同底物蛋白的Ser和Thr残基磷酸化。PKC的活化可增强多种基因的转录。已知至少有两条途径[7]：一是PKC激活一条蛋白激酶的级联反应，使MAP蛋白激酶磷酸化，磷酸化的MAP蛋白激酶将基因调节蛋白Elk-1磷酸化，使之激活。激活了Elk-1与一个短的DNA序列(称为血清反应元件，SRE)结合，然后与另一个因子(血清反应因子，SRF)共同调节基因表达。另一种途径是蛋白激酶磷酸化并激活抑制蛋白Iκ-B，释放基因调节蛋白NF-κ-B，使之进入细胞核激活特定基因的转录。其调控基因表达的途径用下方的图表示：(引自于)4结束语PKA和PKC均是通过使各自的底物磷酸化来调节细胞的代谢、生长和增殖。高红娜[11]将PKA的生理功能归纳为：调节糖原的代谢、调节基因的表达、调节成骨细胞的分化成熟、参与创伤后瘢痕的形成和对其他一些底物蛋白的磷酸化。在这些生理功能中PKA的作用机制都是相同的即依赖第二信号分子cAMP改变相应蛋白的磷酸化状态，促使其活化或失活，调节蛋白的活性和基因的表达。目前，对于PKA功能的研究主要集中在对肿瘤的治疗方面，例如有学者发现PKARα基因的反义缺失可以调节除cAMP以外的多条信号传导途径起到肿瘤治疗的效果[12]。还有多种肿瘤（如乳腺癌、卵巢癌等）的发生与PKA密切相关，可以通过对PKA的检测预测肿瘤的复发率和死亡率[13]。PKC作为重要的蛋白激酶，也已经有很多学者研究了一些有PKC参与的细胞功能。如在肿瘤方面，广泛的研究表明PKC活性的增加可增强肿瘤细胞的活性和侵袭力，抑制PKC活性则会抑制肿瘤细胞的生长[14]。因此，医学上将PKC作为抑制肿瘤的靶目标。PKC还在IP的心肌保护中发挥关键作用[15]、参与其增殖哮喘ASMC的增殖活性[16]、引起血管内皮细胞功能紊乱等多种功能活动。从前人的报道中发现很多疾病的产生都与PKC的激活有关，而且PKC具有多种亚类，因此在今后的疾病控制研究中，PKC及其亚类有可能