Введение
Класс ферментов
Белок-фосфатаза – это фермент-фосфатаза, который удаляет фосфатную группу из фосфорилированного аминокислотного остатка белка-субстрата. Фосфорилирование белков является одной из наиболее распространенных форм обратимой посттрансляционной модификации белков (PTM), при этом до 30% всех белков могут быть фосфорилированы в любой момент времени. Протеинкиназы (ПК) являются эффекторами фосфорилирования и катализируют перенос γ-фосфата от АТФ к специфическим аминокислотам в белках. У млекопитающих существует несколько сотен ПК, которые классифицируются в отдельные суперсемьи. Белки преимущественно фосфорилируются по остаткам Ser, Thr и Tyr, которые составляют 79,3, 16,9 и 3,8% соответственно от состава фосфопротеома, по крайней мере у млекопитающих. В отличие от этого, белковые фосфатазы (ПФ) являются основными эффекторами дефосфорилирования и могут быть сгруппированы в три основных класса на основе последовательности, структуры и каталитической функции. Крупнейшим классом ПФ является семейство фосфопротеиновых фосфатаз (PPP), включающее PP1, PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6 и PP7, а также семейство белковых фосфатаз, Mg2+ или Mn2+ зависимых (PPM), состоящее в основном из PP2C. Суперсемейство тирозин-фосфатаз (PTP) формирует вторую группу, а белковые фосфатазы на основе аспартата – третью. Белковые псевдофосфатазы являются частью более широкого семейства фосфатаз и в большинстве случаев считаются каталитически неактивными, выполняя функцию белков, связывающих фосфат, интеграторов сигнальных путей или субклеточных ловушек. Известны примеры мембранных протеиновых фосфатаз, содержащих как активные (фосфатазные), так и неактивные (псевдофосфатазные) домены, связанные тандемно. Полный сравнительный анализ человеческих фосфатаз и псевдофосфатаз был завершен Маннингом и его коллегами.
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
Фосфорилирование включает в себя перенос фосфатных групп от АТФ к ферменту, энергия для чего высвобождается при гидролизе АТФ до АДФ или АМФ. Однако дефосфорилирование высвобождает фосфаты в раствор в виде свободных ионов, поскольку для их повторного присоединения к АТФ потребовался бы ввод энергии. Цистеин-зависимые фосфатазы (CDP) катализируют гидролиз фосфоэфирной связи через фосфоцистеиновый интермедиат. Свободный цистеиновый нуклеофил образует связь с атомом фосфора фосфатного фрагмента, а связь P-O, соединяющая фосфатную группу с тирозином, протонируется либо подходящим образом расположенным остатком кислотной аминокислоты (Asp на схеме ниже), либо молекулой воды. Затем фосфоцистеин гидролизуется другой молекулой воды, тем самым регенерируя активный центр для очередной реакции дефосфорилирования. Металлофосфатазы (например, PP2C) координируют два каталитически важных иона металла в своем активном центре. В настоящее время существует некоторая неопределенность в отношении идентичности этих ионов металла, поскольку последовательные попытки их идентификации дают различные результаты. В настоящее время имеются данные о том, что эти металлы могут быть магнием, марганцем, железом, цинком или любой их комбинацией. Предполагается, что гидроксильный ион, образующий мостик между двумя ионами металла, участвует в нуклеофильной атаке на ион фосфора.
Серино-треониновые семейства PP (PPM/PPP)
Протеинсери́н/треони́новые фосфата́зы первоначально классифицировались с использованием биохимических анализов как тип 1 (PP1) или тип 2 (PP2), а затем были подразделены в зависимости от требований к ионам металлов (PP2A, не требующая ионов металла; PP2B, стимулируемая Ca2+; PP2C, зависимая от Mg2+) (Moorhead et al., 2007). Протеинсери́н/треони́новые фосфата́зы PP1, PP2A и PP2B семейства PPP, вместе с PP2C семейства PPM, обеспечивают большую часть сери́н/треони́новой фосфатазной активности in vivo (Barford et al., 1998). В мозге они присутствуют в различных субклеточных компартментах нейронов и глиальных клеток и участвуют в различных нейронных функциях.
ППМ
Семейство PPM, включающее PP2C и пируватдегидрогеназофосфатазу, – это ферменты, содержащие ионы металлов Mn2+/Mg2+, устойчивые к классическим ингибиторам и токсинам семейства PPP. В отличие от большинства PPP, PP2C существует только в виде одной субъединицы, но, подобно PTP, обладает широким разнообразием структурных доменов, определяющих уникальные функции. Кроме того, PP2C, по всей видимости, не имеет эволюционного родства с основным семейством Ser/Thr PP и не проявляет последовательной гомологии с древними ферментами PPP. В настоящее время считается, что PPM эволюционировали независимо от PPP, но приобрели сходные черты в ходе эволюционного развития.
Класс I: ПТП на основе Cys
Класс I PTP составляют самое большое семейство. Они включают в себя хорошо известные классические рецепторные (a) и нерецепторные PTP (b), которые строго специфичны к тирозину, а также DSP (c), которые воздействуют на Ser/Thr и Tyr и отличаются наибольшим разнообразием в отношении специфичности к субстрату.
Класс III: ПТП на основе Cys
Третий класс протеинтирозинфосфатаз содержит три регулятора клеточного цикла – CDC25A, CDC25B и CDC25C, которые дефосфорилируют CDK в их N-концевой области, что необходимо для продвижения клеточного цикла. Сами они регулируются фосфорилированием и подвергаются деградации в ответ на повреждение ДНК, чтобы предотвратить хромосомные аномалии.
Класс IV: ППД на основе АСП
Суперсемейство галокислотных дегалогеназ (HAD) – это еще одна группа PP, использующая Asp в качестве нуклеофила, и недавно было показано, что оно обладает двойной специфичностью. Эти PP могут воздействовать как на Ser, так и на Tyr, но считается, что они проявляют большую специфичность к Tyr. Подсемейство HAD, семейство Eyes Absent (Eya), также являются факторами транскрипции и, следовательно, способны регулировать собственное фосфорилирование и фосфорилирование транскрипционных кофакторов, внося вклад в контроль транскрипции генов. Сочетание этих двух функций в Eya демонстрирует большую сложность контроля экспрессии генов, чем предполагалось ранее. Еще один представитель этого класса – фосфатаза C-концевого домена РНК-полимеразы II. Хотя это семейство изучено недостаточно, известно, что оно играет важную роль в развитии и морфологии ядра.
Альтернативная структурная классификация
Многие фосфатазы не обладают строгой специфичностью к типу субстрата или могут быстро эволюционировать, изменяя свой субстрат. Альтернативная структурная классификация указывает на то, что 20 различных протеиновых доменов проявляют фосфатазную активность, и 10 из них содержат белковые фосфатазы. Наиболее распространенным является домен CC1, включающий тирозин-специфические (PTP), двойные специфические (DSP) и даже липид-специфические (PTEN) семейства. Основными доменами, специфичными к серину/треонину, являются PPM (PP2C) и PPPL (PPP). Единственная известная гистидинфосфатаза обнаружена в домене PHP. Другие домены кодируют фосфатазы, действующие на различные комбинации pSer, pThr, pTyr и небелковых субстратов (CC2, CC3, HAD, HP, AP, RTR1).
Физиологическая значимость
Фосфатазы действуют в противоположность киназам/фосфорилизам, которые добавляют фосфатные группы к белкам. Добавление фосфатной группы может активировать или деактивировать фермент (например, киназные сигнальные пути) или обеспечить протеин-протеиновое взаимодействие (например, SH2-домены); поэтому фосфатазы являются неотъемлемой частью многих сигнальных путей трансдукции. Добавление и удаление фосфатов не обязательно соответствуют активации или ингибированию ферментов, и у нескольких ферментов имеются отдельные сайты фосфорилирования для активации или ингибирования функциональной регуляции. CDK, например, может быть активирован или деактивирован в зависимости от конкретного аминокислотного остатка, который подвергается фосфорилированию. Фосфаты важны в передаче сигналов, поскольку они регулируют белки, к которым они присоединены. Для обращения регуляторного эффекта фосфат удаляется. Это происходит самопроизвольно посредством гидролиза или опосредуется протеинфосфатазами. Фосфорилирование белков играет решающую роль в биологических функциях и контролирует практически каждый клеточный процесс, включая метаболизм, транскрипцию и трансляцию генов, прогрессирование клеточного цикла, перестройку цитоскелета, протеин-протеиновые взаимодействия, стабильность белков, движение клеток и апоптоз. Эти процессы зависят от высокорегулируемых и противоположных действий киназ (PK) и фосфатаз (PP) посредством изменений в фосфорилировании ключевых белков. Фосфорилирование гистонов, наряду с метилированием, убиквитинированием, сумоилированием и ацетилированием, также регулирует доступ к ДНК посредством реорганизации хроматина. Одним из основных переключателей нейронной активности является активация киназ и фосфатаз повышенным внутриклеточным кальцием. Степень активации различных изоформ киназ и фосфатаз контролируется их индивидуальной чувствительностью к кальцию. Кроме того, широкий спектр специфических ингибиторов и таргетирующих партнеров, таких как скефолдные, якорные и адапторные белки, также способствует контролю киназ и фосфатаз и рекрутирует их в сигнальные комплексы в нейронных клетках. Такие сигнальные комплексы обычно действуют, чтобы располагать киназы и фосфатазы в непосредственной близости от целевых субстратов и сигнальных молекул, а также повышают их селективность, ограничивая доступность к этим субстратным белкам. Таким образом, события фосфорилирования контролируются не только сбалансированной активностью киназ и фосфатаз, но и их ограниченной локализацией. Регуляторные субъединицы и домены служат для ограничения специфических белков в конкретных субклеточных компартментах и модулирования специфичности белка. Эти регуляторы необходимы для поддержания скоординированного действия сигнальных каскадов, которые в нейронных клетках включают краткосрочную (синаптическую) и долгосрочную (ядерную) сигнализацию. Эти функции частично контролируются аллостерической модификацией вторичными мессенджерами и обратимым фосфорилированием белка. Считается, что около 30% известных фосфатаз присутствуют во всех тканях, а остальные проявляют некоторую степень тканевой специфичности. Хотя фосфорилирование белка является регуляторным механизмом для всей клетки, недавние количественные протеомные исследования показали, что фосфорилирование преимущественно направлено на ядерные белки. Многие фосфатазы, регулирующие ядерные события, часто обогащены или исключительно присутствуют в ядре. В нейронных клетках фосфатазы присутствуют в нескольких клеточных компартментах и играют важную роль как пре-, так и постсинаптически, в цитоплазме и в ядре, где они регулируют экспрессию генов. Фосфопротеинфосфатаза активируется гормоном инсулином, что указывает на высокую концентрацию глюкозы в крови. Затем фермент действует, дефосфорилируя другие ферменты, такие как фосфорилазная киназа, гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза. Это приводит к инактивации фосфорилазкиназы и гликогенфосфорилазы, в то время как гликогенсинтаза активируется. В результате синтез гликогена увеличивается, а гликогенолиз уменьшается, и конечным результатом является поступление и хранение энергии внутри клетки.
Умение учиться и запоминать
В мозге взрослого человека пресинаптические потенциалы необходимы для синаптических функций и участвуют в отрицательной регуляции высших когнитивных функций, таких как обучение и память. Нарушение их активности связано с рядом заболеваний, включая когнитивное старение и нейродегенерацию, а также рак, диабет и ожирение.