Домен PDZ является общим структурным доменом из 80-90 аминокислот , обнаруженным в сигнальных белках бактерий , дрожжей , растений , вирусов [1] и животных . [2] Белки, содержащие домены PDZ, играют ключевую роль в закреплении рецепторных белков в мембране на компонентах цитоскелета. Белки с этими доменами помогают удерживать вместе и организовывать сигнальные комплексы на клеточных мембранах. Эти домены играют ключевую роль в формировании и функционировании комплексов передачи сигнала. [3] Домены PDZ также играют весьма важную роль в закреплении рецепторов клеточной поверхности (таких как Cftr и FZD7 ) на актиновом цитоскелете через медиаторы, такие как NHERF и ezrin . [4]
PDZ — это аббревиатура , объединяющая первые буквы первых трех белков, обнаруженных для совместного использования в этом домене — белок постсинаптической плотности (PSD95) , супрессор большой опухоли диска дрозофилы (Dlg1) и белок zonula occludens-1 (zo-1) . [5] Домены PDZ ранее назывались доменами DHR (Dlg homologous region) [6] или GLGF ( глицин - лейцин - глицин- фенилаланин ). [7]
В целом домены PDZ связываются с коротким участком C-конца других специфических белков. Эти короткие участки связываются с доменом PDZ путем увеличения бета-слоя . Это означает, что бета-слой в домене PDZ удлиняется путем добавления дополнительной бета-цепи из хвоста белка-партнера по связыванию. [8] C-концевая карбоксилатная группа связана гнездом (белковым структурным мотивом) в домене PDZ, т. е. мотивом связывания PDZ .
PDZ — это аббревиатура, образованная от названий первых белков, в которых был обнаружен этот домен. Белок постсинаптической плотности 95 (PSD-95) — это синаптический белок, обнаруженный только в мозге. [7] Супрессор крупных опухолей дисков дрозофилы (Dlg1) и zona occludens 1 (ZO-1) играют важную роль в клеточных соединениях и в сигнальных комплексах клеток. [9] С момента открытия доменов PDZ более 20 лет назад были идентифицированы сотни дополнительных доменов PDZ. Первое опубликованное использование фразы «домен PDZ» было не в статье, а в письме. В сентябре 1995 года доктор Мэри Б. Кеннеди из Калифорнийского технологического института написала письмо с исправлениями в Trends in Biomedical Sciences. [10] Ранее в том же году другая группа ученых заявила об открытии нового домена белка, который они назвали доменом DHR. [6] Доктор Кеннеди опровергла, что ее лаборатория ранее описала точно такой же домен как серию «повторов GLGF». [7] Она продолжила объяснять, что для того, чтобы «лучше отразить происхождение и распространение домена», новое название домена будет изменено. Таким образом, миру было представлено название «домен PDZ».
Структура домена PDZ частично сохраняется в различных белках, которые их содержат. Обычно они имеют 5-6 β-нитей и одну короткую и одну длинную α-спираль . Помимо этой сохраненной складки, вторичная структура различается в разных доменах PDZ. [3] Этот домен имеет тенденцию быть глобулярным с диаметром около 35 Å. [11]
При изучении домены PDZ обычно изолируются как мономеры , однако некоторые белки PDZ образуют димеры . Функция димеров PDZ по сравнению с мономерами пока неизвестна. [3]
Общепринятая теория для связывающего кармана домена PDZ заключается в том, что он состоит из нескольких гидрофобных аминокислот, помимо последовательности GLGF, упомянутой ранее, атомы основной цепи которой образуют гнездо (белковый структурный мотив), связывающее С-концевой карбоксилат белка или пептидного лиганда. Большинство доменов PDZ имеют такой связывающий сайт, расположенный между одной из β-цепей и длинной α-спиралью. [12]
Домены PDZ выполняют две основные функции: локализацию клеточных элементов и регулирование клеточных путей.
Первой обнаруженной функцией доменов PDZ было прикрепление рецепторных белков в мембране к компонентам цитоскелета. Домены PDZ также имеют регуляторные функции на различных сигнальных путях. [13] Любой белок может иметь один или несколько доменов PDZ, которые могут быть идентичными или уникальными (см. рисунок справа). Это разнообразие позволяет этим белкам быть очень универсальными в своих взаимодействиях. Различные домены PDZ в одном и том же белке могут иметь разные роли, каждый из которых связывает разную часть целевого белка или другой белок в целом. [14]
Домены PDZ играют важную роль в организации и поддержании сложных структурных образований.
Домены PDZ встречаются в различных белках, но все они помогают локализовать клеточные элементы. Домены PDZ в первую очередь участвуют в закреплении рецепторных белков на цитоскелете . Для правильного функционирования клеток важно, чтобы компоненты — белки и другие молекулы — находились в нужном месте в нужное время. Белки с доменами PDZ связывают различные компоненты, чтобы обеспечить правильную организацию. [13] В нейроне для понимания активности нейротрансмиттера требуется, чтобы определенные рецепторы были расположены в липидной мембране в синапсе. Домены PDZ имеют решающее значение для этого процесса локализации рецептора. [15] Белки с доменами PDZ обычно связываются как с С-концом рецептора, так и с элементами цитоскелета, чтобы закрепить рецептор на цитоскелете и удерживать его на месте. [14] [16] Без такого взаимодействия рецепторы диффундировали бы из синапса из-за жидкой природы липидной мембраны.
Домены PDZ также используются для локализации элементов, отличных от рецепторных белков. В человеческом мозге оксид азота часто действует в синапсе, изменяя уровни цГМФ в ответ на активацию рецептора NMDA . [17] Для обеспечения благоприятного пространственного расположения нейрональная синтаза оксида азота (nNOS) приближается к рецепторам NMDA посредством взаимодействия с доменами PDZ на PSD-95, который одновременно связывает рецепторы nNOS и NMDA . [16] Поскольку nNOS расположен близко к рецепторам NMDA, он будет активирован сразу после того, как ионы кальция начнут поступать в клетку.
Домены PDZ напрямую участвуют в регуляции различных клеточных путей. Этот механизм этой регуляции варьируется, поскольку домены PDZ способны взаимодействовать с рядом клеточных компонентов. Эта регуляция обычно является результатом совместной локализации нескольких сигнальных молекул, как в примере с рецепторами nNos и NMDA. [16] Некоторые примеры регуляции сигнальных путей, выполняемой доменом PDZ, включают активность фермента фосфатазы , механосенсорную сигнализацию и путь сортировки эндоцитированных рецепторных белков.
Сигнальный путь человеческого белка тирозинфосфатазы нерецепторного типа 4 (PTPN4) регулируется доменами PDZ. Этот белок участвует в регуляции клеточной смерти . Обычно домен PDZ этого фермента не связан. В этом несвязанном состоянии фермент активен и предотвращает сигнализацию клеток для апоптоза . Связывание домена PDZ этой фосфатазы приводит к потере активности фермента, что приводит к апоптозу. Нормальная регуляция этого фермента предотвращает преждевременное прохождение клетками апоптоза. Когда регуляция фермента PTPN4 теряется, увеличивается онкогенная активность , поскольку клетки способны пролиферировать . [18]
Домены PDZ также играют регуляторную роль в механосенсорной сигнализации в проприоцепторах и вестибулярных и слуховых волосковых клетках . Белок Whirlin (WHRN) локализуется в постсинаптических нейронах волосковых клеток, которые преобразуют механическое движение в потенциалы действия , которые организм может интерпретировать. Белки WHRN содержат три домена PDZ. Домены, расположенные вблизи N-конца, связываются с рецепторными белками и другими сигнальными компонентами. Когда один из этих доменов PDZ ингибируется, сигнальные пути нейронов нарушаются, что приводит к слуховым, зрительным и вестибулярным нарушениям. Считается, что эта регуляция основана на физическом позиционировании WHRN и селективности его домена PDZ. [19]
Регуляция рецепторных белков происходит, когда домен PDZ на белке EBP50 связывается с C-концом бета-2-адренергического рецептора (β2-AR). EBP50 также ассоциируется с комплексом, который соединяется с актином , таким образом, выступая в качестве связующего звена между цитоскелетом и β2-AR. Рецептор β2-AR в конечном итоге эндоцитируется, где он либо отправляется в лизосому для деградации, либо возвращается обратно в клеточную мембрану. Ученые продемонстрировали, что когда остаток Ser-411 домена связывания β2-AR PDZ, который напрямую взаимодействует с EBP50, фосфорилируется, рецептор деградирует. Если Ser-411 остается немодифицированным, рецептор возвращается в цикл. [20] Роль, которую играют домены PDZ и их сайты связывания, указывает на регуляторную значимость, выходящую за рамки простой локализации рецепторного белка.
Домены PDZ изучаются далее, чтобы лучше понять роль, которую они играют в различных сигнальных путях. Исследования возросли, поскольку эти домены были связаны с различными заболеваниями, включая рак, как обсуждалось выше. [21]
Функция домена PDZ может быть как ингибирована, так и активирована различными механизмами. Два из наиболее распространенных включают аллостерические взаимодействия и посттрансляционные модификации. [3]
Наиболее распространенной посттрансляционной модификацией, наблюдаемой на доменах PDZ, является фосфорилирование . [22] Эта модификация в первую очередь является ингибитором домена PDZ и активности лиганда . В некоторых примерах фосфорилирование боковых цепей аминокислот исключает способность домена PDZ образовывать водородные связи , нарушая нормальные паттерны связывания. Конечным результатом является потеря функции домена PDZ и дальнейшей сигнализации. [23] Другим способом, которым фосфорилирование может нарушить обычную функцию домена PDZ, является изменение соотношения зарядов и дальнейшее влияние на связывание и сигнализацию. [24] В редких случаях исследователи видели, как посттрансляционные модификации активируют активность домена PDZ [25], но таких случаев немного.
Другая посттрансляционная модификация, которая может регулировать домены PDZ, — это образование дисульфидных мостиков . Многие домены PDZ содержат цистеины и восприимчивы к образованию дисульфидных связей в окислительных условиях . Эта модификация действует в первую очередь как ингибитор функции домена PDZ. [26]
Было обнаружено, что белок-белковые взаимодействия изменяют эффективность связывания доменов PDZ с лигандами. Эти исследования показывают, что аллостерические эффекты определенных белков могут влиять на сродство связывания для различных субстратов . Различные домены PDZ могут даже оказывать этот аллостерический эффект друг на друга. Это взаимодействие PDZ-PDZ действует только как ингибитор. [27] Другие эксперименты показали, что определенные ферменты могут усиливать связывание доменов PDZ. Исследователи обнаружили, что белок ezrin усиливает связывание белка PDZ NHERF1 . [4]
Белки PDZ представляют собой семейство белков, содержащих домен PDZ. Эта последовательность аминокислот встречается во многих тысячах известных белков. Белки с доменом PDZ широко распространены у эукариот и эубактерий [2] , тогда как у архей очень мало примеров этого белка . Домены PDZ часто связаны с другими доменами белков , и эти комбинации позволяют им выполнять свои специфические функции. Три из наиболее хорошо документированных белков PDZ — это PSD-95 , GRIP и HOMER .
PSD-95 — это мозговой синаптический белок с тремя доменами PDZ, каждый из которых обладает уникальными свойствами и структурами, которые позволяют PSD-95 функционировать многими способами. В целом, первые два домена PDZ взаимодействуют с рецепторами, а третий взаимодействует с белками, связанными с цитоскелетом. Основными рецепторами, связанными с PSD-95, являются рецепторы NMDA . Первые два домена PDZ PSD-95 связываются с C-концом рецепторов NMDA и закрепляют их в мембране в точке высвобождения нейротрансмиттера. [28] Первые два домена PDZ также могут взаимодействовать аналогичным образом с каналами K+ типа Shaker . [28] Взаимодействие PDZ между PSD-95, nNOS и синтрофином опосредуется вторым доменом PDZ. Третий и последний домен PDZ связывается с богатым цистеином PDZ-связывающим белком ( CRIPT ), что позволяет PSD-95 связываться с цитоскелетом . [28]
Белок, взаимодействующий с рецепторами глутамата (GRIP), является постсинаптическим белком, который взаимодействует с рецепторами AMPA аналогично взаимодействиям PSD-95 с рецепторами NMDA. Когда исследователи заметили очевидную структурную гомологию между C-концами рецепторов AMPA и рецепторами NMDA, они попытались определить, происходит ли подобное взаимодействие PDZ. [29] Дрожжевая двухгибридная система помогла им обнаружить, что из семи доменов PDZ GRIP два (домены четыре и пять) необходимы для связывания GRIP с субъединицей AMPA, называемой GluR2. [14] Это взаимодействие жизненно важно для правильной локализации рецепторов AMPA, которые играют большую роль в хранении памяти . Другие исследователи обнаружили, что домены шесть и семь GRIP отвечают за соединение GRIP с семейством рецепторных тирозинкиназ, называемых рецепторами эфрина , которые являются важными сигнальными белками. [30] Клиническое исследование пришло к выводу, что синдром Фрейзера , аутосомно-рецессивный синдром, который может вызывать серьезные деформации, может быть вызван простой мутацией в GRIP. [31]
HOMER значительно отличается от многих известных белков PDZ, включая GRIP и PSD-95. Вместо того, чтобы опосредовать рецепторы вблизи ионных каналов, как в случае с GRIP и PSD-95, HOMER участвует в метаботропной глутаматной сигнализации. [32] Еще одним уникальным аспектом HOMER является то, что он содержит только один домен PDZ, который опосредует взаимодействия между HOMER и метаботропным глутаматным рецептором типа 5 ( mGluR5 ). [15] Одиночный повтор GLGF на HOMER связывает аминокислоты на C-конце mGluR5. Экспрессия HOMER измеряется на высоких уровнях во время эмбриологических стадий у крыс, что предполагает важную функцию развития. [15]
У человека существует около 260 доменов PDZ. Несколько белков содержат несколько доменов PDZ, поэтому число уникальных белков, содержащих PDZ, приближается к 180. В таблице ниже приведены некоторые из наиболее изученных членов этого семейства:
В таблице ниже приведены все известные белки PDZ у человека (в алфавитном порядке):
В настоящее время известен один вирус, содержащий домены PDZ: