Кіріспе
Ферменттер класы. Протеин фосфатазасы – бұл фосфатаза ферменті, ол өзінің субстрат ақуызындағы фосфорилденген аминқышқыл қалдығынан фосфат тобын алып тастайды. Ақуызды фосфорилдеу – бұл ақуыздың қайтымды посттрансляциялық модификациясының (ПТМ) ең көп таралған түрлерінің бірі, кез келген уақытта барлық ақуыздың 30%-ға дейін фосфорилденуі мүмкін. Ақуыз киназалары (АК) фосфорилдеудің эффекттері болып табылады және АТФ-тан белгілі бір аминқышқылдарға ақуыздағы γ-фосфаттың ауысуын катализдейді. Сүтқоректілерде жүздеген АК бар және олар ерекше супер-отбасыларға жіктеледі. Ақуыздар негізінен Ser, Thr және Tyr қалдықтары бойынша фосфорилденеді, олар кем дегенде сүтқоректілерде фосфопротеомның 79,3%, 16,9% және 3,8% құрайды. Керісінше, протеин фосфатазалары (ПФ) дефосфорилдеудің негізгі эффекттері болып табылады және тізбек, құрылым және каталитикалық функция негізінде үш негізгі классқа жіктелуі мүмкін. ПФ-тың ең ірі классы – фосфопротеин фосфатаза (PPP) отбасы, оған PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 және PP7, сондай-ақ негізінен PP2C-ден тұратын белок фосфатазасы Mg2+ немесе Mn2+ тәуелді (PPM) отбасы кіреді. Тир фосфатаза (PTP) супер-отбасы екінші топты, ал аспартат негізіндегі протеин фосфатазалары үшінші топты құрайды. Протеин псевдофосфатазалары үлкен фосфатаза отбасының бір бөлігін құрайды және көп жағдайда каталитикалық белсенді емес деп есептеледі, оның орнына фосфат байланыстыратын ақуыздар, сигнал интеграторлары немесе субклеткалық тұзақтар ретінде жұмыс істейді. Белсенді (фосфатаза) және белсенді емес (псевдофосфатаза) домендері тандемде байланысқан мембраналық протеин фосфатазаларының мысалдары белгілі. Manning және әріптестері адам фосфатазалары мен псевдофосфатазаларының толық салыстырмалы талдауын жасады.
A protein phosphatase is a phosphatase enzyme that removes a phosphate group from the phosphorylated amino acid residue of its substrate protein. Protein phosphorylation is one of the most common forms of reversible protein posttranslational modification (PTM), with up to 30% of all proteins being phosphorylated at any given time. Protein kinases (PKs) are the effectors of phosphorylation and catalyse the transfer of a γ phosphate from ATP to specific amino acids on proteins. Several hundred PKs exist in mammals and are classified into distinct super families. Proteins are phosphorylated predominantly on Ser, Thr and Tyr residues, which account for 79.3, 16.9 and 3.8% respectively of the phosphoproteome, at least in mammals. In contrast, protein phosphatases (PPs) are the primary effectors of dephosphorylation and can be grouped into three main classes based on sequence, structure and catalytic function. The largest class of PPs is the phosphoprotein phosphatase (PPP) family comprising PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 and PP7, and the protein phosphatase Mg2+ or Mn2+ dependent (PPM) family, composed primarily of PP2C. The protein Tyr phosphatase (PTP) super family forms the second group, and the aspartate based protein phosphatases the third. The protein pseudophosphatases form part of the larger phosphatase family, and in most cases are thought to be catalytically inert, instead functioning as phosphate binding proteins, integrators of signalling or subcellular traps. Examples of membrane spanning protein phosphatases containing both active (phosphatase) and inactive (pseudophosphatase) domains linked in tandem are known, A complete comparative analysis of human phosphatases and pseudophosphatases has been completed by Manning and colleagues,
Механизм
Фосфорилдану АТФ-тан ферментке фосфат топтарының берілуін қамтиды, ал энергия АТФ-ны АДФ немесе АМФ-қа гидролиздеуден алынады. Дефосфорилирлеу фосфаттарды ерітіндіге бос иондар түрінде шығарады, себебі оларды АТФ-қа қайта қосу энергия жұмсауды талап етеді. Цистеинге тәуелді фосфатазалар (CDP) фосфоцистеин аралықтары арқылы фосфоэстер байланысының гидролизін катализдейді. Бос цистеин нуклеофилі фосфат фрагментінің фосфор атомымен байланыс құрады, ал фосфат тобын тирозинге байланыстыратын P-O байланысы тиісті орналасқан қышқыл амин қалдығы (төмендегі диаграммада Asp) немесе су молекуласымен протондалады. Фосфоцистеин аралық құралы басқа су молекуласымен гидролизделді, осылайша белсенді орын келесі дефосфорилирлеу реакциясы үшін жаңартылады. Металлофосфатазалар (мысалы, PP2C) өзінің белсенді орындарында 2 каталитикалық маңызды металл ионын үйлестіреді. Қазіргі уақытта осы металл иондарының табиғаты туралы шатасушылықтар бар, себебі оларды анықтауға жасалған бірнеше әрекеттер әртүрлі нәтижелер берді. Қазіргі уақытта бұл металдар магний, марганец, темір, мырыш немесе олардың кез келген комбинациясы болуы мүмкін деген деректер бар. Екі металл ионын байланыстыратын гидроксил ионы фосфор ионына нуклеофильдік шабуылға қатысады деп саналады.
Серин/треонин PP (PPM/PPP) отбасылары
Ақуыздық Ser/Thr фосфатазалары бастапқыда биохимиялық талдаулар арқылы 1-ші тип (PP1) немесе 2-ші тип (PP2) деп жіктеліп, металл иондарының қажеттілігіне байланысты тағы да бөлінді (PP2A, металл ионы қажет емес; PP2B, Ca2+ стимуляцияланады; PP2C, Mg2+ тәуелді) (Moorhead және авторлар, 2007). PPP отбасының ақуыздық Ser/Thr фосфатазалары PP1, PP2A және PP2B, сондай-ақ PPM отбасының PP2C фосфатазалары in vivo Ser/Thr PP активтілігінің көп бөлігін құрайды (Barford және авторлар, 1998). Мида олар нейрондық және глиальды жасушалардың әртүрлі субклеткалық бөлімшелерінде кездеседі және түрлі нейрондық функцияларға үлес қосады.
PPM
PPM туысына PP2C және пируват дегидрогеназа фосфатазасы кіреді, бұл Mn2+/Mg2+ металл иондары бар ферменттер, олар PPP туысының классикалық тежеушілері мен токсиндеріне төзімді. Көптеген PPP-лерден айырмашылығы, PP2C тек бір субъединицадан тұрады, бірақ PTP-лер сияқты, бірегей функцияларды қамтамасыз ететін әртүрлі құрылымдық домендерді көрсетеді. Сонымен қатар, PP2C эволюциялық жағынан Ser/Thr PP-нің басты туысымен байланысты емес және көне PPP ферменттерімен тікелей гомологиялық байланысы жоқ. Қазіргі болжам бойынша, PPM-дер PPP-лерден тәуелсіз дамыған, бірақ эволюциялық даму кезінде конвергенцияға ұшыраған.
I сынып: Cys негізіндегі ПТТ
I сыныптағы ПТП-лар ең ірі топты құрайды. Оларға жақсы белгілі классикалық рецепторлар (а) және рецептор емес PTP-лар (b) кіреді, олар қатаң түрде тирозинге қатысты, сондай-ақ Ser/Thr және Tyr-ге бағытталған және субстрат таңдамалылығы бойынша ең әртүрлі DSP-лар (c) бар.
III сынып: Cys негізіндегі ПТТ
PTP-лердің үшінші класы үш жасуша циклын реттегіштерді, CDC25A, CDC25B және CDC25C-ті қамтиды, олар CDK-ларды N-терминалынан дефосфорилирлейді, бұл жасуша циклының дамуын қамтамасыз етуге қажетті реакция. Олар өздері фосфорилирлеу арқылы реттеледі және хромосомалық аномалияларды болдырмау үшін ДНК зақымдануына жауап ретінде ыдырайды.
IV сынып: Asp-қа негізделген DSP
Галокислоталық дегалогеназа (HAD) суперотбасы – Asp нуклеофилін пайдаланатын тағы бір PP тобы және жақында оның екі рет спецификалық екені анықталды. Бұл PP-лар Ser және Tyr екеуін де нысаналай алады, бірақ Tyr-ге қатысты артық спецификалық екені саналады. HAD-тардың бір кіші тобы, «Көздері жоқ» отбасы (Eya), сонымен қатар транскрипция факторлары болып табылады, сондықтан олар өздерінің фосфорилирленуін, сондай-ақ транскрипциялық кофакторлардың фосфорилирленуін реттеуге және ген транскрипциясын бақылауға қатысады. Eya-дағы осы екі функцияның біріккені бұрынғыдан күрделі ген транскрипциялық бақылау механизмін көрсетеді. Осы топтың тағы бір мүшесі – РНҚ полимераза II C терминалды домен фосфатазасы. Бұл отбасы әлі толыққанды зерттелмегенімен, оның даму және ядролық морфологияда маңызды рөл атқараты белгілі.
Баламалы құрылымдық жіктеу
Көптеген фосфатазалар субстрат түріне қатысты универсалды болып келеді немесе субстратты өзгертуге тез эволюциялануы мүмкін. Балама құрылымдық жіктемеде 20 түрлі белок бүктемесінің фосфатаза активтілігіне ие екендігі, ал олардың 10-ы белок фосфатазаларын қамтиды деп көрсетілген. CC1 бүктемесі ең көп кездесетіні, және тирозинге қатысты (PTP), екі ерекшелікке ие (DSP) және тіпті липидке қатысты (PTEN) отбасыларын қосады. Серин/треонинге қатысты негізгі бүктемелер PPM (PP2C) және PPPL (PPP) болып табылады. Қазіргі кезде белгілі жалғыз гистидин фосфатазалары PHP бүктемесінде кездеседі. Басқа бүктемелер pSer, pThr, pTyr және белок емес субстраттардың әртүрлі комбинацияларына әсер ететін фосфатазаларды кодтайды (CC2, CC3, HAD, HP, AP, RTR1).
Физиологиялық маңыздылығы
Фосфатазалар белоктарға фосфат топтарын қосатын киназаларға/фосфорилазаларға қарсы әрекет етеді. Фосфат тобын қосу ферментті белсендіруге немесе белсенділігін жоюға мүмкіндік береді (мысалы, киназалық сигналдық жолдар) немесе ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуіне жағдай жасайды (мысалы, SH2 домендері); сондықтан фосфатазалар көптеген сигналдық трандукция жолдарының маңызды бөлігі болып табылады. Фосфатты қосу және алып тастау міндетті түрде ферменттің белсендірілуіне немесе тежелуіне сәйкес келмейді, сондай-ақ бірнеше ферментте функционалдық реттеуді белсендіру немесе тежеу үшін жеке фосфорилдану орындары болады. Мысалы, CDK нақты фосфорилденген аминқышқыл қалдықтарына байланысты белсендірілуі немесе белсенділігінен айырылуы мүмкін. Фосфаттар сигналдық трандукцияда маңызды, өйткені олар қосылған белоктарды реттейді. Регуляторлық әсерді жою үшін фосфатты алып тастайды. Бұл гидролиз арқылы өздігінен немесе белок фосфатазаларының араласуымен жүзеге асырылады. Белок фосфорилирлеуі биологиялық функцияларда маңызды рөл атқарады және метаболизм, гендердің транскрипциясы мен аудармасы, жасуша циклының дамуы, цитоскелеттің қайта құрылуы, ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуі, ақуыз тұрақтылығы, жасуша қозғалысы және апоптоз сияқты барлық жасушалық процестерді бақылайды. Бұл процестер негізгі белоктардың фосфорилирленуіндегі өзгерістер арқылы PK және PP-ның жоғары реттелген және қарама-қарсы әрекеттеріне байланысты. Гистон фосфорилирлеуі, метилирлеу, убиквитинирлеу, сумойляциялау және ацетилирлеумен қатар, хроматиннің қайта ұйымдастырылуы арқылы ДНК-ға қол жеткізуді реттейді. Нейрондық белсенділіктің маңызды «ауыстырғыштарының» бірі – PK және PP-ның жасушаішілік кальцийдің жоғары деңгейімен белсендірілуі. PK және PP-ның әртүрлі изоформаларының белсенділік деңгейі олардың кальцийге жеке сезімталдығымен реттеледі. Сонымен қатар, эшафолдинг, бекіту және адаптерлік ақуыздар сияқты спецификалық ингибиторлар мен мақсатты серіктердің кең ауқымы PK және PP-ны бақылауға көмектеседі және оларды нейрондық жасушалардағы сигналдық кешендерге қосады. Мұндай сигналдық кешендер әдетте PK және PP-ны мақсатты субстраттар мен сигналдық молекулаларға жақын орналастырады, сондай-ақ осы субстрат ақуыздарына қолжетімділікті шектеу арқылы олардың таңдамалылығын арттырады. Сондықтан фосфорилирлеу оқиғалары тек PK және PP-ның теңгерімді белсенділігімен ғана емес, сонымен қатар олардың шектеулі орналасуымен де реттеледі. Регуляторлық бөлімшелер мен домендер белгілі бір ақуызды белгілі бір субклеткалық бөліктерге шектеуге және ақуыздың ерекшелігін модуляциялауға қызмет етеді. Бұл реттегіштер сигналдық каскадтардың үйлесімді әрекетін сақтау үшін маңызды, олар нейрондық жасушаларда қысқа мерзімді (синаптикалық) және ұзақ мерзімді (ядролық) сигналды қамтиды. Бұл функциялар, ішінара, екінші реттік хабаршылар арқылы аллостерикалық модификация және қайтымды белок фосфорилирлеу арқылы бақыланады. Белгілі барлық PP-ның шамамен 30% барлық тіндерде кездеседі, ал қалғаны тіндерге қатысты белгілі бір шектеулерге ие. Белок фосфорилирлеуі жасушаның барлық бөлігін реттейтін механизм болғанымен, соңғы сандық протеомикалық зерттеулер фосфорилирлеудің ядролық ақуыздарды басымдылықпен нысаналайтынын көрсетті. Ядролық оқиғаларды реттейтін көптеген PP көбінесе ядрода байытылған немесе тек ядрода ғана кездеседі. Нейрондық жасушаларда PP бірнеше жасушалық бөліктерде кездеседі және ген экспрессиясын реттейтін цитоплазмада және ядрода, сондай-ақ синапс алдындағы және кейінгі кезеңдерде маңызды рөл атқарады. Фосфопротеин фосфатаза гормон инсулинмен белсендіріледі, бұл қандағы глюкозаның жоғары концентрациясын көрсетеді. Содан кейін фермент фосфорилаза киназа, гликоген фосфорилаза және гликоген синтезасы сияқты басқа ферменттерді дефосфорилирлейді. Бұл фосфорилаза киназаның және гликоген фосфорилазаның белсенділігін жояды, ал гликоген синтезасы белсендіріледі. Нәтижесінде гликоген синтезі күшейеді және гликогенолиз азаяды, ал энергия клетканың ішіне кіріп, сақталады.
Оқу мен есте сақтау
Ересектердің миында постсинаптық потенциалдар (ПСП) синаптық функциялар үшін өте маңызды және оқу мен есте сақтау сияқты жоғары деңгейдегі ми функцияларын теріс реттеуге қатысады. Олардың белсенділігінің бұзылуы когнитивтік қартаю, нейродегенерация сияқты бірнеше аурулармен, сондай-ақ қатерлі ісік, қант диабеті және семіздікпен байланысты.