可溶性鸟苷酸环化酶介导NO信号转导的结构基础及其分子机制研究_潘洁

图 2 可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)异源二聚体和颗粒型鸟苷 酸环化酶(pGC)同源二聚体的结构示意图 573
潘洁等: 可溶性鸟苷酸环化酶介导 NO 信号转导的结构基础及其分子机制研究
的第 105 位组氨酸(His 105)轴向配位[27]. 但本课题组 的研究结果表明, 人 sGC 的亚基也能结合血红素辅 基, 通过强的疏水作用结合[28]. sGC 的氧化会导致血 红素辅基丢失, 而脱血红素辅基的 sGC 不能再被 NO 激活[29~31]. 中间结构域又被细分为 Per/Arnt/Sim-like 区域和 两亲性螺旋卷曲(coiled-coil, CC). PAS-like 结构域可 能是 sGC 同源二聚或异源二聚的调节区域. 有研究 指出 , 该结构域可能具有结合血红素辅基或核黄素 和核苷酸的功能, 其确切的功能仍存在争议[32]. 体内 双分子荧光互补实验和 sGC PAS 结构域的同源结构 分析表明, sGC 的中间结构域对异源二聚的形成非常 重要[33, 34]. sGC 的 C-端催化结构域和 pGC 以及腺苷 酸环化酶的催化结构域有着高的同源性 , 它能够催 化 GTP 生成 cGMP. 即使单独的和亚基均具有催 化结构域 , 但是 , 只有共表达的 和 异源二聚体才 具有环化酶活性.
潘洁 , 钟方芳 , 王红艳 , 黄仲贤 , 谭相石
① 复旦大学化学系, 上海 200433 ② 复旦大学生物医学研究院, 上海 200433 *通讯作者, E-mail: xstan@fudan.edu.cn 收稿日期: 2013-10-16; 接受日期: 2013-11-18; 网络版发表日期: 2014-02-20 doi: 10.1360/032013-314
① ① ② ① ①② *
摘要
可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)是 NO 信号转导通路中的核心金属酶, 是 NO 的敏感器
和受体. sGC 含有和两个亚基, 每个亚基分别具有 3 个结构域, 包括血红素结构域、中心 结构域和催化结构域, 两个亚基的血红素结构域共享有一个血红素, NO 结合到 sGC 的血红 素后, 激活 sGC, 催化其底物 GTP 转化为二级信号分子 cGMP, 开启 PKG 信号通路, 导致血 管舒张. NO 信号转导通路异常将导致多种疾病的发生, 如多种心血管疾病、肺动脉高血压、 心力衰竭及神经退行性疾病等. 近 20 年来, 关于 sGC 的结构、功能、激活机制及其在生理 与病理中的作用有了很多进展. 本文重点对 sGC 的结构、功能及其活化/失活机制研究进展 进行综述.
中国科学: 化学
2014 年
第 44 卷
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第4期
(CNS)中的定位研究结果也表明, 1 比亚基分布更 广, 在某些区域只有1 亚基表达, 这表明单独的1 亚 基可能还具有其他重要的生理功能. 研究发现, sGC1 亚基还可以调节染色质凝聚和细胞循环进程 [21]. 最 近, 本课题组[22]发现 , 同源二聚的 sGC11 亚基具 有亚硝酸还原酶的功能, 推测 sGC 可能通过自身催 化还原亚硝酸盐生成 NO, 获得激活自己的 NO, 而 不用从 NOS 中获得.
仅 18%. 2007 年, Akker 课题组[37]解析了来源于 Nostocsp 的 H-NOX 结构域(Ns H-NOX), 这是第二个源于细菌 体的 H-NOX 结构报道. Ns H-NOX 与真核 sGC 配体 结合性质更为接近, 与人类 sGC1 亚基序列相似性 为 33%, 因此, 该晶体结构对理解 sGC 的 NO 调节机 理及 O2/NO 的配体识别提供了重要的结构信息. Akker 课题组[34]成功解析了来源于 Nostocpunctiforme 的信号转导组氨酸激酶(STHK)的 N-端结构域, 它与 sGC 的 PAS-like 结构域具有 35%~38%的序列相 似 性 . 2013 年 Montfort 课 题 组 [38] 报 道 了 Ms (Mannducasexta) sGC1 PAS 结构域的晶体结构, 揭 示了 PAS-like 结构域对蛋白异源二聚的形成具有重 要的作用, 并且该结构域能够调控 NO 与1 H-NOX 结构域血红素辅基的结合. 2010 年 Akker 课题组[39] 报道了大鼠 sGC1 亚基的螺旋卷曲区域(coiled-coil, CC)的晶体结构. 该结构表明, CC 同源二聚后再二聚 形成稳定的四聚体 , 通过对结构及其相关突变体的 研究发现, 该 CC 区域对于调节 sGC 的异源二聚具有 重要的作用. 2008 年, Winger 等[40]报道了一种绿藻(Chlamydomanasreinhardtii) 中 sGC 催化结构域的晶体结构 , 该结构显示绿藻催化结构域处于一种非活性的同源 二聚形式. 2013 年, Gileadi 等[41]报道了人 sGC 的催化 结构域 和 亚基的异源二聚体和 亚基的同源二聚 体的结构. 由于缺乏全长 sGC 的晶体结构, 因此, 结 合 NO 的血红素结构域是怎样调控催化结构而行使 环化酶的活性, 以及 PAS 结构域和 CC 结构域是怎样 将信号转递到催化结构域, 仍是个谜.
2 sGC 的组织分布
sGC 遍布于哺乳动物的细胞溶质中 , 在肺部和 脑部的含量相对较高 . 其为由 和 两个亚基组成的 含有血红素辅基的异源二聚体蛋白 , 单个亚基的表 达并不具有催化活性, 异源二聚体是 sGC 行使催 化活性必需的[9~12]. 或亚基中任何一个的表达水平 受到抑制均将极大地降低 sGC 的催化活性[11]. 到目 前为止, sGC 的和亚基均分别被发现有两种亚型: 1、2 以及1、2[13~15]. 其中, 11 异源二聚体是 人体内 sGC 最广泛的存在形式, 在神经系统、 肺部和 肝部均有较高的表达水平 . 21 形式主要存在于大 脑、 子宫和胎盘[16, 17]. 2 亚基只发现在肾脏和肝脏中 有相应的 mRNA, 在体内并没有发现12 或22 异 源二聚体的存在[15]. 异源二聚体是 sGC 催化活性所必需的, 但体内 可能存在异源二聚体和单个亚基同源二聚体的平衡 过程. 有研究报道证实, 11 和11 同源二聚体在 体内存在, 并且各自具有不同的生理功能[18]. sGC1 基因是一种新型的荷尔蒙调节基因 , 而且不依赖于 sGC1 亚基的存在而存在 , 它能够在细胞内荷尔蒙 非 依 赖 生 长 中 发 挥 重 要 作 用 [19, 20]. 中 枢 神 经 系 统
鸟苷酸环化酶分为两种类型 , 即可溶性和颗粒 型 [23]. 颗粒型鸟苷酸环化酶 (pGCs)有 7 种分型 (GCA、GC-B、GC-C、GC-D、GC-E、GC-F 和 GC-G), 分 布于多个组织中. GC-A 和 GC-B 是利钠肽的受体并 且是最早从哺乳动物组织中克隆成功的 pGCs, 它们 以同源二聚体形式存在. 序列分析显示, 它们有一个 跨膜结构域, 分成胞内和胞外两大部分. 其中胞外部 分与配体结合, 胞内部分根据功能的不同分为 3 个结 构域 : 蛋白激酶结构域、二聚结构域和催化结构域 . 从细胞质中提取到的鸟苷酸环化酶 , 即可溶性鸟苷 酸环化酶(sGC)是含有 b 型血红素的金属蛋白, 由和 两个亚基组成的异源二聚体. 人源性1 和1 亚基 分别含有 690 和 619 个氨基酸残基[2, 24, 25], 每个亚基 均可分为 3 个结构域: N-端的血红素结构域、中间的 二聚结构域和 C-端的催化结构域(图 2). N - 端 的 血 红 素 结 构 域 与 一 类 保 守 的 H - NO X (Heme-nitric oxide and/or oxygen binding domian)家族 同源[26], 人类 sGC 的血红素通常被认为是与1 亚基
4 sGC 的晶体结构
目前, 未见任何真核细胞 sGC 异源二聚体或 全长单个亚基的结构报道 , 仅有来源于细菌的 HNOX 结构域和人或鼠源的单个结构域的结构报道(图 3). Montfort 课题组通过化学交联和小角 X 射线散射 的方法对 sGC 的异源二聚体进行了结构模拟[35], 如 图 3 所示. 第一个 H-NOX 结构域的晶体结构(Tt H-NOX, 来源于 Thermoanaerobactertengcongensis 细菌 ) 于 2004 年在 Science 杂志上报道[24, 36]. Tt H-NOX 是与氧 气具有高亲和力的蛋白, 其与真核 sGC 的配体结合 性质有很大差异, 与人类 sGC 1 亚基序列的相似性
NO 作为一种新型的内源性信使分子, 广泛分布 于生物体内各组织中 , 特别是心血管系统和神经系 统. 可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)作为 NO 的受体, 是 NO 信号转导通路中的一个关键核心金属酶. NO 与 sGC 结合后会激活 sGC, 催化 GTP 转化为 cGMP. cGMP 是一种重要的二级信使分子, 通过激活其下游 的多种效应分子 , 如磷酸二酯酶 (PDE)、环核苷酸门 控离子通道(CNG)和蛋白激酶 G (PKG)等, 进而引发 下游一系列级联反应, 在胃肠系统、血液循环系统和 神经系统中发挥重要的生理功能, 如促进血管和平滑 肌舒张, 抑制血小板凝聚、血管重塑、细胞凋亡和炎 症发生以及参与神经传递等 [ 1 ~ 4 ] . 在哺乳动物体内 , NO 由一氧化氮合成酶（NOS）合成产生, 通过脂质双 分子层扩散到邻近的细胞, 并与其受体蛋白——sGC
3 sGC 的分子结构
图1 NO-sGC-cGMP 信号转导通路[5]
在心血管系统中作为重要的信号转导分子而获得了 诺贝尔生理和医学奖, 由此以来, 有关 sGC 的研究受 到越来越多的重视. 关于 sGC 的结构、功能、激活机 制以及生理病理作用的研究有了重大进展 . 本文重 点对 sGC 的结构、功能以及可能的活化/失活机制的 研究进展进行综述.
关键词 NO NO 信号转导 sGC
1
引言
结合, 从而产生大量的二级信使分子 cGMP (图 1)[5]. 一旦 NO 信号转导通路发生异常, 将引发血管内皮细 胞功能紊乱, 进而导致一系列心血管疾病, 如动脉高 血压(arterial hypertension)、肺动脉高血压(PH)、心力 衰 竭 (heart failure, HF) 、 动 脉 粥 样 硬 化 和 再 狭 窄 (atherosclerosis and restenosis)等, 还可导致神经退行 性疾病的发生[2]. 硝酸甘油等有机硝酸盐用于治疗心 血管疾病已有 150 多年的历史. 最近有报道表明, 直 接吸入 NO 可以用于治疗新生儿的持续性肺动脉高 血压[7, 8]. 但是, 这些治疗方法均存在缺陷. sGC 作为 NO 信号转导通路中的关键金属酶, 作为多种疾病的 药物靶标受到越来越多的重视 . 目前发现可直接作 用于 sGC 的化合物分为两大类: 激动剂(stimulator)和 激活剂(activator). 1998 年, Furchgott、Ignarro 和 Murad 因发现 NO
5 NO 激活 sGC 的机理研究
NO 在体内由一氧化氮合成酶内源性产生, 是一 种极不稳定的生物自由基 , 生物半衰期仅 3~5 s, 组 织中的浓度很低 , 通过脂质双分子层扩散到邻近的 细胞, 并与其受体蛋白——sGC 结合. NO 与 sGC 结 合后会激活 sGC 的催化活性 , 即催化 GTP 转化为 cGMP[3, 7, 42~44]. cGMP 是一种重要的二级信使分子 , 它可以通过激活其下游的多种效应分子 , 如磷酸二 酯酶(PDE)、 环核苷酸门控离子通道(CNG)和蛋白激酶 G (PKG) 等, 进而引发下游一系列级联反应 , 在胃肠 系统、血液循环系统和神经系统中发挥重要的生理功 能, 如促进血管和平滑肌舒张、抑制血小板凝聚、血
中国科学: 化学 SCIENTIA SINICA Chimica 评 述
2014 年
第 44 卷
第 4 期: 572 ~ 585
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庆祝计亮年院士 80 华诞专刊
可溶性鸟苷酸环化酶介导 NO 信号转导的结构 基础及其分子机制研究