Белковые каркасы в сигнальных путях: функции и механизмы регуляции.

Введение

В биологии белки-строительные леса играют ключевую роль в регуляции многих важных сигнальных путей. Хотя функции белков-строительных лесов четко не определены, известно, что они взаимодействуют и/или связываются с несколькими компонентами сигнального пути, объединяя их в комплексы. В этих путях они регулируют передачу сигнала и способствуют локализации компонентов пути (организованных в комплексы) в определенных областях клетки, таких как плазматическая мембрана, цитоплазма, ядро, аппарат Гольджи, эндосомы и митохондрии.

История

Первым обнаруженным сигнальным каркасным белком был белок Ste5 дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Было показано, что три различных домена Ste5 взаимодействуют с протеинкиназами Ste11, Ste7 и Fus3, формируя мультикиназный комплекс.

Функция

Протеины-скелеты действуют как минимум четырьмя способами: закрепляя сигнальные компоненты, локализуя эти компоненты в определенных областях клетки, регулируя передачу сигнала путем координации положительной и отрицательной обратной связи, и изолируя правильные сигнальные белки от конкурирующих белков. Скелеты также могут обладать каталитической активностью, поскольку взаимодействие с сигнальными белками может приводить к аллостерическим изменениям этих сигнальных компонентов. Эти изменения могут усиливать или ингибировать активацию этих сигнальных белков. Примером является скелет Ste5 в пути митоген-активированной протеинкиназы (MAPK). Предполагается, что Ste5 направляет сигнализацию спаривания через MAPK Fus3, каталитически "разблокируя" эту киназу для активации ее MAPKK Ste7.

Локализация сигнальных компонентов в клетке

Эскафолды локализуют сигнальную реакцию в определенной области клетки, что может быть важно для локального синтеза сигнальных посредников. Ярким примером этого процесса служат эскафолды – белки-анкеры киназ (AKAP), которые направляют циклическую АМФ-зависимую протеинкиназу (PKA) к различным участкам клетки. Такая локализация позволяет локально регулировать PKA и приводит к локальному фосфорилированию ее субстратов.

Координация положительной и отрицательной обратной связи

Многие гипотезы о том, как каркасы координируют положительную и отрицательную обратную связь, основаны на исследованиях искусственно созданных каркасов и математическом моделировании. В трех каскадах киназной сигнализации каркасы связывают все три киназы, повышая специфичность киназ и ограничивая усиление сигнала за счет ограничения фосфорилирования киназ до одной нижестоящей мишени. Эти возможности могут быть связаны со стабильностью взаимодействия между каркасом и киназами, базальной активностью фосфатазы в клетке, локализацией каркаса и уровнями экспрессии компонентов сигнализации.

Резюме белка эшафотного строения

Белки-каркасыПутьПотенциальные функцииОписаниеKSR MAPK Сборка и локализация пути RAS ERK Один из наиболее изученных сигнальных путей в биологии – путь RAS ERK, в котором белок RAS G активирует MAPKKK RAF, который активирует MAPKK MEK1 (киназа MAPK/ERK 1), которая затем активирует MAPK ERK. Было выявлено несколько белков-каркасов, участвующих в этом пути и других подобных путях MAPK. Одним из таких белков-каркасов является KSR, который является наиболее вероятным эквивалентом хорошо изученного белка-каркаса MAPK Ste5. Он является положительным регулятором пути и связывает многие белки в пути, включая все три киназы в каскаде. MEKK1 MAPK Сборка и локализация сигналосомы рецептора смерти Другие белки-каркасы включают В-клеточную лимфому 10 (BCL 10) и MEK-киназу 1 (MEKK1), которые играют роль в пути JUN N-концевой киназы (JNK). BCL 10 MAPK Сборка и специфичность JNKAKAP PKA Пути Координация фосфорилирования PKA на нижележащие мишени Это семейство белков структурно связано только способностью связываться с регуляторной субъединицей PKA, но в остальном может связываться с очень разнообразным набором ферментов и субстратовAHNAK 1 Сигнализация кальция Сборка и локализация кальциевых каналов Сигнализация кальция необходима для правильной функции иммунных клеток. Недавние исследования показали, что белок-каркас AHNAK1 важен для эффективной сигнализации кальция и активации NFAT в Т-клетках благодаря его способности правильно локализовать кальциевые каналы на плазменной мембране [14]. В неиммунных клетках AHNAK1 также связывает кальциевые каналы с фосфолипазой Cγ (PLC γ) и PKC. Благодаря этой конкуренции белки HOMER способны снижать активацию NFAT, что также снижает выработку цитокина IL 2. Пеллино Врожденная иммунная сигнализация Сборка сигналосомы TLR Существуют данные, что белки Пеллино функционируют как белки-каркасы в важном врожденном пути иммунной сигнализации – пути рецептора, подобного Toll (TLR). Большая часть функции Пеллино является предположительной; однако белки Пеллино могут ассоциироваться с IRAK1, TRAF6 и TAK1 после активации IL 1R, что указывает на то, что они могут собирать и локализовать компоненты пути TLR вблизи его рецептора. NLRP Врожденная иммунная сигнализация Сборка инфламмасомы Семейство NLR является высококонсервативным и крупным семейством рецепторов, участвующих во врожденном иммунитете. Семейство рецепторов NLRP (семейство NLR, содержащее пириновый домен) функционирует как каркасы, собирая инфламмасому – комплекс, который приводит к секреции провоспалительных цитокинов, таких как IL 18 и IL 1β. DLG1 Сигнализация рецептора Т-клеток Сборка и локализация сигнальных молекул ТКР, активация p38 DLG1 высоко консервативен в иммунных клетках и важен для активации Т-клеток в периферии. Он рекрутируется к иммунологическому синапсу и связывает ζ-цепь рецептора Т-клеток (TCR) с CBL, WASP, p38, LCK, VAV1 и ZAP70. Эти данные свидетельствуют о том, что DLG1 играет роль в связывании сигнального механизма TCR с регуляторами цитоскелета, а также предполагает роль в альтернативной активации пути p38. Однако неясно, положительно или отрицательно DLG1 регулирует активацию Т-клеток. Спинофилин Сигнализация дендритных клеток Сборка белков иммунологического синапса дендритных клеток Спинофилин участвует в функции дендритных клеток, в частности, в формировании иммунологических синапсов. Спинофилин рекрутируется к синапсу после контакта дендритных клеток с Т-клеткой. Этот набор, по-видимому, важен, поскольку без спинофилина дендритные клетки не могут активировать Т-клетки in vitro или in vivo. Механизм, посредством которого спинофилин способствует представлению антигена в этом случае, пока неизвестен, хотя возможно, что спинофилин регулирует продолжительность контакта клеток в синапсе или регулирует рециркуляцию костимулирующих молекул в клетке, таких как молекулы MHC. Координация отрицательной обратной связи во время биосинтеза протохлорофиллида. Сборка и локализация пути, который приводит к синтезу высокотоксичного протохлорофиллида, предшественника хлорофилла. Синтез протохлорофиллида должен строго регулироваться, так как для его превращения в хлорофилл требуется свет. Регулирующий белок FLU расположен в тилакоидной мембране и содержит только несколько участков белок-белкового взаимодействия без каталитической активности. Мутанты, лишенные этого белка, накапливают протохлорофиллид в темноте. Взаимодействующие партнеры неизвестны. Белок упростился в процессе эволюции.

Scaffold ProteinsPathwayPotential FunctionsDescriptionKSR MAPK Assembly and localization of the RAS ERK pathway One of the best studied signaling pathways in biology is the RAS ERK pathway in which the RAS G protein activates the MAPKKK RAF, which activates the MAPKK MEK1 (MAPK/ERK kinase 1), which then activates the MAPK ERK. Several scaffold proteins have been identified to be involved in this pathway and other similar MAPK pathways. One such scaffold protein is KSR, which is the most probable equivalent of the well studied yeast MAPK scaffold protein Ste5. It is a positive regulator of the pathway and binds many proteins in the pathway, including all three kinases in the cascade. MEKK1 MAPK Assembly and localization of the death receptor signalosome Other scaffold proteins include B cell lymphoma 10 (BCL 10) and MEK kinase 1 (MEKK1), which have roles in the JUN N terminal kinase (JNK) pathway. BCL 10 MAPK Assembly and specificity of JNKAKAP PKA Pathways Coordination of phosphorylation by PKA onto downstream targets This family of proteins is only structurally related in their ability to bind the regulatory subunit of PKA but can otherwise bind a very diverse set of enzymes and substratesAHNAK 1 Calcium signaling Assembly and localization of calcium channels Calcium signaling is essential for the proper function of immune cells. Recent studies have shown that the scaffold protein, AHNAK1, is important for efficient calcium signaling and NFAT activation in T cells through its ability to properly localize calcium channels at the plasma membrane [14]. In non immune cells, AHNAK1 has also been shown to bind calcium channels with phospholipase Cγ (PLC γ) and PKC. Through this competition, the HOMER proteins are able to reduce NFAT activation, which also reduces the production of the IL 2 cytokine. Pellino Innate Immune Signaling Assembly of the TLR signalosome Evidence exists that Pellino proteins function as scaffold proteins in the important innate immune signaling pathway, the Toll like receptor (TLR) pathway. Much Pellino function is speculation; however, Pellino proteins can associate with IRAK1, TRAF6, and TAK1 following IL 1R activation, indicating that they may assemble and localize components of the TLR pathway near its receptor. NLRP Innate Immune Signaling Assembly of the inflammasome The NLR family is a highly conserved and large family of receptors involved in innate immunity. The NLRP (NLR family, pyrine domain containing) family of receptors function as scaffolds by assembling the inflammasome, a complex that leads to the secretion of pro inflammatory cytokines such as IL 18 and IL 1β. DLG1 T cell receptor signaling Assembly and localization of TCR signaling molecules, activation of p38 DLG1 is highly conserved in immune cells and is important for T cell activation in the periphery. It is recruited to the immunological synapse and links the ζ chain of the T cell receptor (TCR) to CBL, WASP, p38, LCK, VAV1, and ZAP70. This data suggests that DLG1 plays a role in linking TCR signaling machinery with cytoskeleton regulators and also suggests a role in alternatively activating the p38 pathway. However, it is unclear to whether DLG1 positively or negatively regulates T cell activation. Spinophilin Dendritic cell signaling Assembly of DC immunological synapse proteins Spinophilin is involved in dendritic cell function specifically in the formation of immunological synapses. Spinophilin is recruited to the synapse following dendritic cell contact with a T cell. This recruitment seems to be important because without spinophilin, dendritic cells cannot activate T cells in vitro or in vivo. How spinophilin facilitates antigen presentation in this case is still unknown though it is possible that spinophilin regulates the duration of cell contact in the synapse or regulates the recycling of co stimulatory molecules in the cell like MHC molecules. Coordination of negative feedback during protochlorophyllide biosynthesis. Assembly and localization of the pathway that turns the synthesis of highly toxic protochlorophyllide, a precursor of chlorophyll. Synthesis of protochlorophyllide must be strictly regulated as its conversion into chlorophyll requires light. FLU regulatory protein is located in thylakoid membrane and only contains several protein protein interaction sites without catalytic activity. Mutants lacking this protein overaccumulate protochlorophyllide in the darkness. The interaction partners are unknown. The protein underwent simplification during evolution.

Хантгинтин

Ханттингтин со-локализуется с репарационным белком ATM в местах повреждения ДНК. Ханттингтин является каркасным белком в комплексе, отвечающем на окислительное повреждение ДНК, опосредованном ATM. Болезнь Гентингтона, вероятно, вызвана дисфункцией мутантного каркасного белка ханттингтина в репарации ДНК, что приводит к увеличению окислительного повреждения ДНК в метаболически активных клетках. RAD51 и DMC1 – рекомбиназы, действующие во время мейоза млекопитающих для обеспечения обмена цепями при восстановлении разрывов двойной спирали ДНК посредством гомологичной рекомбинации. Белки, составляющие хромосомный каркас, также называются каркасными белками. В ферментативных реакциях – это крупные многофункциональные ферменты, выполняющие серию или цепочку реакций в общем метаболическом пути, иногда называемые каркасными белками, например, пируватдегидрогеназа. В формировании молекулярных структур – это фермент или структурный белок, удерживающий несколько молекул вместе в правильном пространственном расположении, например, белки-каркасы железосерных кластеров. Структурный каркас в цитоскелете и внеклеточном матриксе обеспечивается молекулами, формирующими механический каркас, например, коллагеном IV типа.