Protein phosphorylation
-
История открытия
- В 1906 году Фибиус Левен обнаружил фосфорилированный вителлин.
- В 1933 году Фриц Липманн обнаружил фосфосерин в казеине.
- В 1950 году Эрл Сазерленд объяснил, что активность фосфорилазы увеличивается при стимуляции адреналином и глюкагоном.
- В 1970-х годах Лестер Рид обнаружил, что митохондриальный пируватдегидрогеназный комплекс инактивируется фосфорилированием.
- В 1975 году было показано, что цАМФ-зависимые протеинкиназы фосфорилируют сериновые остатки на определенных аминокислотных последовательностях.
- В 1980-х годах была определена аминокислотная последовательность первой протеинкиназы, что помогло генетикам понять функции регуляторных генов.
- В 1990-х годах были очищены первые протеинтирозиновые фосфатазы и клонированы JAK киназы, что привело к признанию 1990-х годов десятилетием протеинкиназных каскадов.
-
Механизм и функции фосфорилирования
- Фосфорилирование изменяет структуру белка, вызывая его активацию, деактивацию или модификацию функции.
- Фосфорилирование обычно происходит на серине, треонине, тирозине и гистидине в эукариотических белках.
- Фосфорилирование может быть обратимым, что позволяет клеткам быстро реагировать на внешние сигналы.
- Фосфорилирование и дефосфорилирование регулируют активность многих ферментов и рецепторов.
-
Примеры регуляторных ролей
- Фосфорилирование Na+/K+-АТФазы регулирует осморегуляцию.
- Фосфорилирование GSK-3 регулирует инсулиновый сигнальный путь.
- Фосфорилирование src тирозинкиназы ингибирует её активность.
- Фосфорилирование гистонов H2AX и метилпурин-ДНК-гликозилазы необходимо для репарации ДНК.
- Фосфорилирование цитозольных компонентов NADPH оксидазы регулирует белок-белковые взаимодействия.
-
Примеры деградации белков
- Фосфорилирование аргинина маркирует белки для деградации.
- Фосфорилирование некоторых белков вызывает их деградацию через путь убиквитин/протеасом.
-
Фосфорилирование белков
- Фосфорилирование белков происходит только при участии определенных E3 убиквитинлигаз.
- Фосфорилирование белков важно для сложных сигнальных путей.
-
Методы анализа фосфорилирования
- Фосфопротеомика и масс-спектрометрия используются для идентификации и количественной оценки фосфорилированных белков.
- Генетические взаимодействия между фосфорилирующими белками и их целями помогают понять сложные сети фосфорилирования.
-
Фосфорилирование гистонов
- Фосфорилирование гистонов изменяет структуру хроматина, влияя на транскрипцию и репликацию.
- Фосфорилирование гистона H2A при повреждении ДНК разделяет хроматиновые домены.
-
Киназы и их функции
- Фосфорилирование происходит на различных аминокислотах, включая серин, треонин и тирозин.
- Тирозинфосфорилированные белки легко очищаются, что облегчает их изучение.
- Циклиновые киназы регулируют клеточный цикл, связываясь с циклинами.
-
Сайты фосфорилирования
- В клетке тысячи фосфорилированных сайтов, что важно для понимания её состояния.
- Фосфорилирование изменяет функцию и локализацию белков.
- Фосфорилирование и дефосфорилирование белков важны для клеточных процессов.
-
Современные методы и базы данных
- Фосфопротеомные методы позволяют идентифицировать и количественно оценить фосфорилированные белки.
- Созданы базы данных, такие как dbPAF, для хранения известных фосфорилированных сайтов.
-
Примеры фосфорилирования
- Фосфорилирование серина и треонина влияет на различные метаболические процессы.
- Фосфорилирование тирозина важно для сигнальных путей, таких как рецепторы тирозинкиназы.
-
Фосфорилирование тирозина
- Быстрое и обратимое фосфорилирование тирозина регулирует клеточные процессы.
- Фосфорилирование тирозина поддерживает клеточный рост, дифференцировку, миграцию и метаболический гомеостаз.
- Фосфорилирование тирозина связано с различными заболеваниями, такими как ожирение, инсулинорезистентность и диабет 2 типа.
-
Фосфорилирование аргинина
- Аргинин фосфорилирование в грамположительных бактериях маркирует белки для деградации.
-
Неканоническое фосфорилирование в клетках человека
- В клетках человека фосфорилирование происходит на множестве неканонических аминокислот, включая гистидин, аспартат, цистеин, глутамат, аргинин и лизин.
- Для сохранения этих фосфорилированных остатков требуются специальные процедуры и методы разделения.
-
Методы обнаружения и характеристики фосфорилирования
- Антитела используются для обнаружения фосфорилирования белков.
- Посттрансляционные модификации легко обнаруживаются на 2D гелях.
- Масс-спектрометрия используется для определения сайтов фосфорилирования.
-
Эволюция фосфорилирования
- Фосфорилирование распространено среди всех живых организмов.
- В эукариотах фосфорилировано от 30 до 65% белков, с десятками или сотнями тысяч сайтов фосфорилирования.
- Некоторые фосфорилированные сайты эволюционировали как условные «off» переключатели.
-
Сравнение между эукариотами и прокариотами
- В эукариотах фосфорилирование участвует в клеточной сигнализации, экспрессии генов и дифференцировке.
- В прокариотах фосфорилирование используется для передачи сигналов, но его роль в регуляции ДНК-репарации и репликации неясна.
- В бактериях фосфорилируются гистидин и аспартат, а также присутствуют серин, треонин и тирозин.
-
Патология
- Аномальное фосфорилирование белков связано с различными заболеваниями, включая рак, Альцгеймера и Паркинсона.
- В Альцгеймера фосфорилирование тау-белка нарушается, что приводит к его агрегации и разрушению микротрубочек.
-
Тау-белок и его функции
- Тау-белок должен быть фосфорилирован для функционирования
- Гиперфосфорилирование тау-белка является основной причиной его неспособности ассоциироваться
- Фосфатазы PP1, PP2A, PP2B и PP2C дефосфорилируют тау-белок в vitro
- Активность этих фосфатаз снижена в мозге пациентов с Альцгеймером
- Тау-фосфопротеин у пациентов с Альцгеймером гиперфосфорилирован в три-четыре раза по сравнению с пожилыми здоровыми людьми
- Тау-белок удаляет MAP1 и MAP2 из микротрубочек, что можно обратить вспять при дефосфорилировании
-
α-Synuclein и его роль в болезни Паркинсона
- α-Synuclein связан с болезнью Паркинсона
- У людей этот белок кодируется геном SNCA
- α-Synuclein участвует в рециркуляции синаптических везикул, несущих нейротрансмиттеры
- Уровни α-Synuclein повышены у пациентов с болезнью Паркинсона
- Существует корреляция между концентрацией нефосфорилированного α-Synuclein и тяжестью болезни
- Фосфорилирование Ser129 в α-Synuclein влияет на тяжесть болезни
- У здоровых пациентов уровни нефосфорилированного α-Synuclein выше, чем у пациентов с болезнью Паркинсона
- Изменение соотношения концентраций фосфорилированного и нефосфорилированного α-Synuclein может быть маркером прогрессирования болезни
- Антитела, нацеленные на фосфорилированный Ser129, используются для изучения молекулярных аспектов синуклеинопатий
- Фосфорилирование Ser129 связано с агрегацией белка и дальнейшим повреждением нервной системы
- Агрегация фосфорилированного α-Synuclein усиливается при недостатке белка Sept4
- Прямое взаимодействие α-Synuclein с Sept4 ингибирует фосфорилирование Ser129
- Фосфорилирование Ser129 может наблюдаться без агрегации в условиях сверхэкспрессии