信号转导蛋白的调节性结合结构域

另一种小的信息分子（如cAMP、IP3等）或允许离子进入细胞内;1另一些细胞膜受体将膜外化学信号转变成一种负载在蛋白大分子上的信息。这类受体由于自身是有酪氨酸激酶或丝/苏氨酸激酶活性，在接受外界化学信号时，首先自身发生自动磷酸化，然后逐个地使其它蛋白发生磷酸化。这一类信息的传递方式不同于小信息分子的传递方式，它们是使信号转导蛋白的某些氨基酸残基磷酸化向下传递信息（不具备小信息分子传递时的级联放大作用），其放大作用微弱，但由于传递是特异的和可调控的，几乎是一对一的传递，因而是十分精确的。2这种信号转导蛋白的相互作用与以往酶与底物的催化作用也不一样，一个酶分子通常能催化许多底物分子反应，而信号转导蛋白只能催化少量的底物分子发生磷酸化。它们不仅具有催化区域还具有结合区域，且结合区域是可调节性的，在胞内信号的整个转导过程中发挥着重要作用。结合区域具有识别特异性，与底物分子的结合可使底物更接近催化区域；还可与上游信号转导蛋白结合，并且使结合在一起的复合体在胞内定位以决定信号转导的途径（有些信号转导蛋白仅有结合区无催化区）。3，4具有这样特征的蛋白区域就是我们所讲的信号转导蛋白的调节性结合结构域（Modular Binding Domains）。　　在研究信号转导的蛋白与蛋白之间的相互作用时，人们发现劳氏肉瘤病毒癌基因（src）产物除具有酪氨酸激酶活性区域外还具有两个可与其他信号转导蛋白结合的区域，进一步研究发现其他许多信号转导蛋白（可有可无酪氨酸激酶活性）上也有这种结合性区域。经序列分析依据同源性将他们分为两类，分别被称为SH2和SH3结构域。5随后，人们又在血小板蛋白激酶C的一个主要底物Pleckstrin上发现了第三个同源序列区即PH结构域。6，7研究表明SH2、SH3和PH结构域有一些共同的性质：它们的氨基端与羧基端非常靠近，各自形成紧密的独立结构单位在蛋白大分子中起作用。各结构域不仅存在于信号转导蛋白，也存在于其他酶和蛋白分子。它们在蛋白分子中的数目和位置不固定。在信号转导中形成网络，互相交联。三者均未在原核生物中发现，除SH2结构域未在酵母中发现外，均存在于所有的真核细胞。1.SH2结构域：　　90年代初，人们发现在与磷酸化受体酪氨酸激酶结合的信号转导蛋白中大部分含有SH2结构域。进一步研究发现，分离的SH2结构域本身也能与磷酸化的受体酪氨酸结合，且这种结合是有特异性的，不同SH2结构域与不同的含有磷酸化酪氨酸（pTyr）残基的区域结合，对丝/苏氨酸残基几乎没有亲和力。可将含SH2的蛋白粗分为两类：一类为具有酶活性且酶活性对下游的信号转导是必不可少的；二类为无酶活性的信号转导蛋白。8对SH2配基位点分析表明，结合的特异性在很大程度上与紧靠pTyr的三个氨基酸残基有关。用一个8氨基酸的随机多肽文库（随机氨基酸在pTyr羧基端，三个氨基酸范围内）检测SH2的结合特异性，结果发现大部分SH2结构域的配基可归为二类：9 I类配基序列为酪氨酸-亲水-亲水-疏水；II类为酪氨酸-疏水-X-疏水。在结构研究方面，讫今研究过的SH2结构域都有一个大的反平行的β片层中心，两侧α-螺旋及一些后续结构。10在结合特异性研究方面，发现特异性并不是绝对的，在一个细胞内可能同时会有不止一个的含SH2结构域的蛋白可与某一磷酸化信号转导蛋白之间以高亲和力结合，因此，二者之间的结合能力不仅依赖于含SH2结构域蛋白在局部的浓度，也依赖于信号转导蛋白的其它区域对结合的调节作用（甚至可能存在第三种蛋白的调节作用）。无论它们之间是以多么高的亲和力结合，一旦信号通过后，他们马上解体，又为下次信号通过作好准备。　　目前，也有一些关于SH2结构域可与不含pTyr的蛋白结合的报道，11但SH2结构域与含有pTyr蛋白之间的结合亲和力比与不含pTyr的蛋白之间的结合亲和力要高得多，很使人怀疑后者结合是生理性的。另外，含有SH2结构域的信号转导蛋白可能也受到别构效应调节，当含有SH2结构域的蛋白分子与磷酸化蛋白分子结合时，可使前者磷酸化，而磷酸化又可增强该蛋白的结合能力或催化活性。因此，对于这类蛋白，SH2结构域的存在对其结合和催化活性都是必不可少的。12 含SH2结构域的蛋白质参与了磷脂代谢、氨基酸磷酸化和去磷酸化、GTP酶激活、基因表达、蛋白质迁移和细胞骨架构建等。2. SH3结构域: 　　目前，对SH3结构域的了解不如对SH2结构域的了解详细。在某些同时拥有SH2和SH3结构域的蛋白分子上，二者表现出功能协调一致性，如c-Src中的SH2和SH3结构域在抑制该酶的活性时他们相互协调一致。二者在结构上也存在许多相关性，但更详细的结构与功能关系尚待是一步研究，这不仅帮助我们对二者介导的信号转导有更深入的认识，而且对我们了解细胞信号转导系统的衍变与进化会有所帮助。　　经过对SH3配基的深入研究，目前对SH3的结构与生物学功能有了初步认识。首先是经过对cDNA表达文库的筛选发现了SH3的两个配基3BP1和3BP2，13以后又发现了其它配基如Sos和PI-3K等。这些配基的共同特点是结合位点内为一些富含脯氨酸的残基（共约10个氨基酸），核心部分为PXXP（X为除半胱氨酸之外的任一氨基酸）。目前已知的几个SH3结构域在形成的三维空间结构上有较大的外观差异，但是它们的基本骨架结构（拓扑结构）是很相似的，基本折叠包括两个垂直的β片层，其中由一些保守氨基酸经折叠构成的疏水区域成为结合配基的“口袋”。14功能上，SH3与SH2相似，介导信号蛋白之间的相互作用，使底物与酶靠近并调节酶的活性。如具有GTP酶活性的Dynamin作为SH3结构域的结合蛋白，当与SH3结合时可激活Dynamin的活性。此外，SH3与配基结合可形成复合物并帮助在细胞内定位，决定信号转导的途径和归宿。在细胞骨架蛋白上的SH3和PH结构域除介导信号转导外还可能与细胞运动有关，向培养的大鼠胚胎成纤维细胞内微注射含SH2和SH3的PLC-r蛋白，观察到它们分布在肌动蛋白上，单独注射SH3结构域也能分布在肌动蛋白上，但是单独注射SH2结构域却广泛分布。注射完整的GRB2及含有突变SH2的GRB2均能分布膜皱处；但SH3突变的GRB2却不能集中分布于膜皱处，可见SH3对信号转导蛋白在细胞内定位的重要性。153. PH结构域：　　在研究血小板蛋白激酶C的一个主要底物Pleckstrin时发现其中有两个相同的大约120氨基酸的序列结构域，即PH（Pleckstrin homology）结构域，随后发现许多信号转导蛋白和细胞骨架蛋白也有这一结构域的存在，与SH2和SH3结构域相比，PH结构域在信号转导中不仅介导蛋白与蛋白之间的作用，而且介导蛋白与脂质之间的结合以帮助蛋白在质膜的定位，含有PH结构域的蛋白既在信号转导中起作用也在细胞骨架形成中起作用。至今已鉴定了存在于多种蛋白中的90多个PH结构域，（包括有酪氨酸激活性的蛋白和无酪氨酸激酶活性的蛋白），并且发现在非受体型的酪氨酸激酶Btk中PH结构域的部分氨基酸突变则导致免疫缺陷性疾病-----丙种球蛋白缺乏症，16由此可见PH结构域的生理重要性。结构研究表明，尽管PH结构域之间的氨基酸序列同源性不高，但其折叠的空间结构却十分相似。已知结构的PH结构域所形成的结构都是静电极性的，由3-4股在同一面的β片层形成一个面，并与另一个同样面的β片层走向几乎垂直，这样的两个面构成结构域的核心。17推测他们与配基结合的特异性可能由三维空间结构决定。　　鉴定PH结构域天然配基方面做了许多工作，但收获不大，有几个PH结构域与G蛋白的βr亚基的结合却是肯定的。如β-肾上腺素受体（β-AR）蛋白激酶的PH结构域可与G蛋白的βr亚基结合，但结合需PIP2的存在。并且发现这样的结合所涉及到的仅是PH结构域的羧基端及PH结构域之外的区域。pleckstrin和spectin PH结构域与脂质PIP2结合时只表现出低的亲和力和弱的特异性，但二者之间可能存在协调性以提高亲和力18，与这两种PH结构域相比，PLC-δ1的结构域与PIP2及IP3却有较高的亲和力。当PIP2和IP3同时存在时，二者还存在着竞争结合现象。PLC-δ1的PH结构域是一个无催化活性的结合位点，该位点与配基的结合能带动PLC-δ1聚集于富含PIP2的质膜区，以利于PLC-δ1分解PIP2，而PIP2的分解产物IP3不仅可作为第二信使，还能反过来竞争抑制PLC-δ1的PH结构域与PIP2的结合，形成负反馈。19　　如果上述的磷酸肌醇类算作PH结构域的第一类配基的话，那么PKC就可看作第二类配基了，目前发现的在NGF受体和胰岛素受体上磷酸化区域也可能属于第二类配基（这类配基间有一定的序列同源性，合成具有这种同源序列的多肽也能高亲和力地与PH结构域结合）。而G蛋白的βr亚基则可看作第三类配基。在功能上，许多蛋白如Shc、IRS-1、PLCδ-1、Sos和Ras-GTP酶激活蛋白等它们的PH结构域的配基都与质膜相联，配基与结构域的结合有利于这些蛋白向膜靠近或定位，以利于发挥它们的催化活性，但PKC通过磷酸化对作为其底物的Bruton酪氨酸激酶的活性有下调作用。20综上所述，各类配基的磷酸化基因对于它们与PH结构域的结合是必不可少的，但它们结合PH结构域的部位不同，大概的情况是磷酸肌醇类配基与蛋白的pTyr位点从相对映的方向与PH结构域结合，结合的位点是分开的。另外的一些信号蛋白如Shc和IRS-1的pTyr结合位点（PTB）采用与已知PH结构域一样的折叠方式在与蛋白的pTyr位点结合时。研究表明两种PTB几乎没有序列同源性，与SH2和SH3也相差很大。Shc分子上有两个不同的pTyr识别位点，一个位于羧基端的SH2结构域和一个位于氨基端的的PTB。IRS-1的PTB在分子的氨基端与一个PH结构域相邻。PTB与PH结构域有着十分相似的空间结构和类似的性质，因而对PTB的分类有一定的分歧。21　　随着对PH结构域配基的鉴定，相信其它PH结构域的配基将很快得以确定，但是否大约90个PH结构域都有它们各自的特异性配基尚不清楚，很难让人相信一些磷酸肌醇类与PH结构域之间的低亲和力的结合是生理性的，这么多含有PH结构域蛋白的存在是为了与少量的配基结合。由此看来各种PH结构域都有它们自已的特异性配基是可能的。能成为它们特异配基的应该是诸如多磷酸肌醇，磷酸化的膜成份，含有酪氨酸、丝氨酸、苏氨酸或组氨酸残基的特定蛋白序列成份。PH结构域的序列分析也显示出一种可衍变出各种适合配基结合的稳定的β片层结构，为结合多样配基准备了结构基础。最后还需说明的是之所以称三类序列为同源序列，是因为它们有相似的空间结构或类似的配基结合能力，不一定有很高的序列同源性。　　目前，又有将PTB和LIM各归为一类结构域的报到，LIM为一类结合有Zn＋＋富含半胱氨酸的结构域，存在于转录因子、细胞骨架蛋白和信号转导蛋白中，通过介导蛋白与蛋白之间的相互联结而发挥作用。　参考文献 Dohlman H G，Thor J ，Coron M C，et al. 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By mediating interactionsof protein-protein and protein-phospholipid， the modular binding domainsregulate the subcellular localization of signal transduction proteins anddetermine the pathways of signal transduction. The modular binding domainsplay important roles in cellular proliferation ，differentiation and apoptosis.KEY WORDS: Tyrosine protein kinase， signal transduction ， Domain
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