stringtranslate.com

Гистидинкиназа

Гистидинкиназы ( HK ) являются многофункциональными, и в неживотных царствах, как правило, трансмембранными , белками класса трансфераз ферментов , которые играют роль в передаче сигнала через клеточную мембрану. [1] Подавляющее большинство HK являются гомодимерами , которые проявляют аутокиназную , фосфотрансферную и фосфатазную активность. HK могут действовать как клеточные рецепторы для сигнальных молекул способом, аналогичным рецепторам тирозинкиназы (RTK). Многофункциональные молекулы рецепторов, такие как HK и RTK, обычно имеют части на внешней стороне клетки ( внеклеточный домен), которые связываются с гормоноподобными или фактороподобными молекулами, части, которые охватывают клеточную мембрану ( трансмембранный домен ), и части внутри клетки ( внутриклеточный домен), которые содержат ферментативную активность. В дополнение к киназной активности внутриклеточные домены обычно имеют области, которые связываются со вторичной эффекторной молекулой или комплексом молекул, которые далее распространяют передачу сигнала внутри клетки. В отличие от других классов протеинкиназ , HK обычно являются частями двухкомпонентных механизмов передачи сигнала , в которых HK переносит фосфатную группу с АТФ на остаток гистидина внутри киназы, а затем на остаток аспартата на домене приемника белка -регулятора ответа (или иногда на самой киназе). Совсем недавно было обнаружено широко распространенное существование фосфорилирования белка гистидина, отличного от фосфорилирования двухкомпонентных гистидинкиназ в клетках человека. [2] [3] В отличие от фосфорилирования Ser, Thr и Tyr, анализ фосфорилированного гистидина с использованием стандартных биохимических и масс-спектрометрических подходов является гораздо более сложным, [4] [5] и для их сохранения наряду с классическим фосфорилированием Ser, Thr и Tyr на белках, выделенных из клеток человека, требуются специальные процедуры и методы разделения. [6]

С точки зрения энзимологии , гистидинкиназа ( EC 2.7.13.3, EnvZ , гистидинпротеинкиназа , протеингистидинкиназа , протеинкиназа (гистидин) , HK1 , HP165 , Sln1p ) представляет собой фермент , который катализирует химическую реакцию

АТФ + белок L-гистидин АДФ + белок N-фосфо-L-гистидин.

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются АТФ и белок L- гистидин , тогда как двумя его продуктами являются АДФ и белок N-фосфо-L-гистидин.

Этот тип фермента участвует в путях передачи сигналов, предшествующих многим клеточным процессам, включая различные метаболические, вирулентные и гомеостатические пути.

Механизм

Предложенный механизм гистидинкиназы, описывающий фосфорилирование теле - азота. Фосфорилирование прос -азота происходит через другой таутомер гистидина. B = неопределенное ферментативное основание.

Механизм реакций, катализируемых гистидинкиназой, до конца не изучен, но имеющиеся данные свидетельствуют о том, что каталитический домен одной димерной единицы может вращаться таким образом, что связывающий карман АТФ этой единицы может вступать в контакт с определенным остатком гистидина на противоположной единице, а нуклеофильное присоединение приводит к фосфорилированию гистидина. [7]

Структура и функции

HK состоит из нескольких доменов, начинающихся с короткой N-концевой цитоплазматической части, соединенной с внеклеточным сенсорным доменом через трансмембранную α-спираль . Вторая трансмембранная α-спираль соединяет внеклеточный домен с C-концевым цитоплазматическим каталитическим доменом. Известно, что HK выполняют функции во многих различных путях передачи сигнала, поэтому неудивительно, что внеклеточный сенсорный домен не очень хорошо сохраняется в семействе HK. Напротив, цитоплазматический домен имеет тенденцию иметь высокую гомологию последовательностей и содержит несколько хорошо известных мотивов . Эти мотивы включают боксы H, N, G1, F и G2. [8] H-бокс автофосфорилирования содержится в домене N-концевой димеризации и фосфопереноса гистидина (DHp). В HK853-CD, кристаллизованном из Thermotoga maritima , этот домен представляет собой спиральную шпильку и образован остатками 232-317. Сайт фосфорилирования гистидина расположен на His-260. Блоки N, G1, F и G2 содержатся в С-концевом каталитическом и АТФ-связывающем (CA) домене. Этот домен образован остатками 323-489 и образует структуру, известную как сэндвич-складка α/β. Эта конкретная складка имеет один слой, состоящий из 5-цепочечного β-листа , а другой слой состоит из трех α-спиралей.

Димерная единица удерживается вместе пучком из четырех спиралей, образованным, когда C-концевые сегменты спиралей α1 на каждой субъединице взаимодействуют антипараллельно с обеими спиралями α2. Стабильность димера поддерживается несколькими взаимодействиями на интерфейсе между DHps каждого мономера. Они включают гидрофобные взаимодействия между консервативными гидрофобными остатками, а также две водородные связи (Thr-252 ... Glu-316' и Arg-263 ... Asn-307') и один солевой мостик (Lys-270 ... Glu-303'). Дальнейшие взаимодействия опосредуются водородными связями с водой в полости внутри спиральной спирали и фланкируются гидрофобными остатками.

Один мономер. Красный остаток — His-260, лиганд (АДФ и SO4 ) — желтый, крышка АТФ — пурпурная.
Структура и окружение кармана связывания АТФ HK853. Важные остатки помечены, а красные сферы — это молекулы воды.

Карман связывания нуклеотида / АТФ содержится в домене CA , и структурное сходство этого кармана высоко между большинством HK. Полость CheA, также кристаллизованная из T. maritima, сначала образована β-слоем P4 сзади, а стороны полости образованы 4 мотивами, упомянутыми ранее, боксами N, G1, F и G2. [9] Большинство остатков, поступающих из β-слоя, являются гидрофобными, за исключением Asp449. Этот остаток является инвариантным и образует водородную связь вместе с молекулой воды с аминогруппой аденина . Три другие молекулы воды образуют прямые водородные связи с основанием аденина. Ион Mg2 + образует мостик между всеми тремя фосфатами и инвариантным остатком Asn. Наконец, еще две молекулы воды завершают октаэдрическую координацию с Mg2 + и связаны с Arg-408 и His-405. Когда γ-фосфат АТФ дестабилизируется, Mg2 + больше не наблюдается из-за его неспособности к октаэдрической координации. Марина и др. утверждают, что аналогичная координация Mg2 + происходит в HK853, но она не наблюдается из-за использования аналога АТФ AMPPNP в кристаллической структуре. [7] Во время кристаллизации аналог гидролизовался в продукт, аналогичный АДФ.

Конечная сторона кармана связывания АТФ удобно названа «крышкой АТФ». Стабильность этой структуры опосредована присутствием γ-фосфата и, следовательно, иона Mg2 + в месте связывания. Также присутствие нуклеотидного основания, как оказалось, играет значительную роль в стабилизации крышки в закрытой конформации . Крышка АТФ связана через гидрофобные остатки с остальной частью белка. γ-фосфат АТФ несколько открыт, что позволяет проводить дефосфорилирование . При связывании АТФ в этом кармане, как полагают, происходит конформационное изменение, позволяющее вращению домена CA войти в контакт с DHp другого мономера и, таким образом, позволяющее консервативному His-260 находиться рядом с γ-фосфатом. Затем Nε His-260 атакует γ-фосфат АТФ в нуклеофильном присоединении и выбивает АДФ в качестве своей уходящей группы.

Роль в грибковых инфекциях

Двухкомпонентная система (TCS), включающая гистидинкиназу и белок -регулятор переменной реакции , может иметь решающее значение для вирулентности некоторых штаммов грибков, таких как Candida albicans , который часто вызывает кандидоз у лиц с ослабленным иммунитетом . [10] C. albicans с делецией CHK1, двухкомпонентного гена гистидинкиназы, демонстрируют дефекты морфогенеза и резкое снижение способности клеток противостоять элиминации человеческими нейтрофилами . Поскольку у людей отсутствует эта двухкомпонентная система, она может быть хорошей мишенью для антимикробных агентов для лечения кандидоза .

Роль в бактериальных инфекциях

Подобно грибку, двухкомпонентные системы также можно обнаружить в нескольких персистирующих бактериальных инфекциях. Например, сообщалось, что Staphylococcus aureus использует TCS SrrAB, состоящий из сенсорных HK (SrrB), которые переносят фосфатную группу на регулятор реакции эффектора (SrrA), что приводит к изменению активности SrrA, включая регуляцию генов. Эти TCS используются S. aureus для того, чтобы ощущать изменения условий окружающей среды и передавать сигнал в соответствующую реагирующую систему, например, гены ica индуцируются SrrAB для опосредования сборки клеток и образования биопленки для выживания в анаэробных условиях. [11]

Ссылки

  1. ^ Wolanin PW, Thomason PA, Stock JB (2002). «Гистидиновые протеинкиназы: ключевые сигнальные преобразователи за пределами животного мира». Genome Biology . 3 (10): reviews3013.1–3013.8. doi : 10.1186/gb-2002-3-10-reviews3013 . PMC  244915. PMID  12372152.
  2. ^ Fuhs SR, Hunter T (2017). «pHisphorylation: the appearance of histidinephosphorylation as a reversible Regulatory Modification». Curr Opin Cell Biol . 45 : 8–16. doi :10.1016/j.ceb.2016.12.010. PMC 5482761. PMID 28129587  . 
  3. ^ Fuhs SR, Meisenhelder J, Aslanian A, Ma L, Zagorska A, Stankova M, Binnie A, Al-Obeidi F, Mauger J, Lemke G, Yates JR 3rd, Hunter T (2015). «Моноклональные антитела к 1- и 3-фосфогистидину: новые инструменты для изучения фосфорилирования гистидина». Cell . 162 (1): 198–210. doi :10.1016/j.cell.2015.05.046. PMC 4491144 . PMID  26140597. 
  4. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). «Газофазный межмолекулярный перенос фосфата в димере фосфогистидина и фосфопептида». Int J Mass Spectrom . 367 : 28–34. Bibcode : 2014IJMSp.367 ...28G. doi : 10.1016/j.ijms.2014.04.015. PMC 4375673. PMID  25844054. 
  5. ^ Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (2013). «Попытка переписать историю: проблемы с анализом гистидин-фосфорилированных пептидов». Biochem Soc Trans . 41 (4): 1089–1095. doi :10.1042/bst20130072. PMID  23863184.
  6. ^ Hardman G, Perkins S, Ruan Z, Kannan N, Brownridge P, Byrne DP, Eyers PA, Jones AR, Eyers CE (13 октября 2017 г.). «Обширное неканоническое фосфорилирование в клетках человека, выявленное с помощью фосфопротеомики, опосредованной сильным анионным обменом». bioRxiv 10.1101/202820 . 
  7. ^ ab Marina A, Waldburger CD, Hendrickson WA (декабрь 2005 г.). «Структура всей цитоплазматической части сенсорного белка гистидинкиназы». EMBO J . 24 (24): 4247–59. doi :10.1038/sj.emboj.7600886. PMC 1356327 . PMID  16319927. 
  8. ^ Parkinson JS, Kofoid EC (1992). «Модули связи в бактериальных сигнальных белках». Annu. Rev. Genet . 26 : 71–112. doi :10.1146/annurev.ge.26.120192.000443. PMID  1482126.
  9. ^ Bilwes AM, Quezada CM, Croal LR, Crane BR, Simon MI (апрель 2001 г.). «Связывание нуклеотидов гистидинкиназой CheA». Nat. Struct. Biol . 8 (4): 353–60. doi :10.1038/86243. PMID  11276258. S2CID  25434861.
  10. ^ Торосантуччи А., Чиани П., Де Бернардис Ф., Кассоне А., Калера Дж. А., Кальдероне Р. (февраль 2002 г.). «Удаление двухкомпонентного гена гистидинкиназы (CHK1) Candida albicans способствует усилению ингибирования роста и уничтожению нейтрофилами человека in vitro». Infect. Immun . 70 (2): 985–7. doi :10.1128/IAI.70.2.985-987.2002. PMC 127696. PMID  11796636 . 
  11. ^ Tiwari N, López-Redondo M, Miguel-Romero L, Kulhankova K, Cahill MP, Tran PM и др. (май 2020 г.). «Двухкомпонентная система SrrAB регулирует патогенность золотистого стафилококка через окислительно-восстановительно-чувствительные цистеины». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 117 (20): 10989–10999. Bibcode : 2020PNAS..11710989T. doi : 10.1073/pnas.1921307117 . PMC 7245129. PMID  32354997 . 

Дальнейшее чтение