谈蛋白磷酸酶2A 的结构、功能和活性调节

谈蛋白磷酸酶2A 的结构、功能和活性调

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蛋白质的可逆性磷酸化是许多细胞生物学过程的极其重要的调节机制。概括起来说, 这种翻译后修饰可以改变信号通路中许多关键蛋白质的性质,如酶活性、细胞内定位等, 从而影响细胞的增殖、分化和凋亡。过去对蛋白质可逆性磷酸化的研究主要集中在蛋白激酶(protein kinase , PK)的调控方面。现在认为蛋白磷酸酶(protein phosphatase , PP)和PK一样受到严密调控, 同样起重要的作用。

根据氨基酸顺序的一致性和三维结构的相似性, PP 分为三个家族:磷酸化酪氨酸残基蛋白磷酸酶(phosphotyrosine residues phosphatases , PTP)、磷酸化丝/苏氨酸残基蛋白磷酸酶(phosphoserine andphosphothreonine residues phosphatases , PPP)和Mg2 +依赖的磷酸化丝/苏氨酸残基蛋白磷酸酶(Mg2 +-dependentphosphoserine and phosphothreonine residuesphosphatases , PPM)。其中PTP 家族还存在一类能使磷酸化酪氨酸和丝/苏氨酸残基脱磷酸的蛋白

磷酸酶。PPM 家族包括蛋白磷酸酶2C 和位于线粒体的丙酮酸脱氢酶。最近还发现一类磷酸化组氨酸残基的蛋白磷酸酶。

根据酶对底物选择的特异性、对不同抑制剂的敏感性及对不同二价阳离子的依赖性, 真核生物中PPP 家族可分为PP1 、PP2A 、PP2B 、PP2C 四类。PP1主要作用于磷酸化酶激酶的β 亚单位;PP2 作用于磷酸化酶激酶的α亚单位;PP2B 需要Ca2+激活;PP2C 需要Mg2+作为辅助因子。后来又发现PP3 、PP4 、PP5 、PP6 、PP7 等新成员, 对酶抑制剂敏感性不同。在大多数组织和细胞类型中, PP2A 含量丰富,占细胞总蛋白质的0 .05 % ～0 .25 %。研究表明,PP2A 在进化过程中(从酵母菌到哺乳动物)高度保守并且广泛表达。在体外实验中, PP2A 能使众多底物去磷酸化, 逆转蛋白激酶的磷酸化作用, 参与细胞代谢、DNA 复制、基因转录、RNA 剪接、蛋白质翻译及翻译后修饰、细胞周期、信号转导、细胞分化及凋亡、癌基因转化等细胞活动过程, 并和神经退行性疾病、肿瘤等多种疾病的发生发展有关, 引起人们的普遍关注。

1 PP2A的结构

哺乳动物细胞中的PP2A 以二聚体或三聚体形式存在, 三聚体较为常见。其核心酶部分是一个二聚体,

由分子量为36 ～38 kD 的催化亚基(PP2Ac)和65 kD 的结构亚基(PR65/A)组成;另有分子量为50 ～130 kD 不等的调节亚基(B 亚基)和核心酶结合形成三聚体。至今已发现B 亚基有四种形式, 分别命名为B 、B′、B″、B″′。不同形式的B 亚基和核心酶的结合具有相互排它性。

1 .1 催化亚基(PP2Ac)

PP2A 酶催化亚基PP2Ac 是一个含Zn2+和Fe2+的金属酶, 结构在进化过程中保持高度的稳定, 是已知酶中最保守的。PP4和PP6的催化亚基与其相近, 同源性分__别达到66 %和59 %。序列分析表明PP2Ac 有α和β两种同工型, 一致性达97 %。

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2 结构亚基(PR65/A)

结构亚基PR65/A 是PP2Ac 和B 亚基结合的支架, 和PP2Ac 紧密结合。该亚基也有α和β 两种同工型, 同源性为86 %。其中PR65/Aβ 可能和肿瘤发生有关[ 。在15 %肺和直肠来源的肿瘤细胞系中, 编码PR65/Aβ 蛋白的基因发生突变, 突变区域位于催化亚基结合部位。最近也在人黑色素瘤、乳腺癌和肺癌病例中发现PR65/Aα蛋白的基因突变, 但突变频率显著低于PR65/Aβ 。

PR65/A 的结构特殊:由15 个重复子串联, 每个

重复子由富含亮氨酸残基的39 个氨基酸组成(序列不完全相同), 其二级结构相似, 由两个反平行的α螺旋组成, 这种串联结构称为HEAT 模体(motif)。整个A 亚基看上去像由食指和拇指组成的钩形体, 具有疏水内表面, 包括了PR65/A 蛋白保守残基, 可能是PP2Ac 和不同调节亚基的结合位点。在酿酒酵母(S .cerevisiae)中的研究发现, 一种B 淋巴细胞受体成分α4 蛋白和PP2Ac 形成α4-PP2Ac 二聚体, 是PP2A 的同源类似物, 又称为Sit4 、Pph21 和Pph22 。在酵母菌中α4 蛋白同源物称为Tap42 , 被纳巴霉素靶(target of rapamycin , TOR)激酶磷酸化后也能和PP2Ac 形成二聚物。后来发现植物和哺乳动物中都存在二聚体α4/Tap42-PP2Ac ,但这种二聚体和PR65/A-PP2Ac 二聚体之间能否互相转换尚需实验确定。PR65/A亚基只能和PP2Ac 特异性结合, 而α4 蛋白还能与其他催化亚基如PP4c 和PP6c 等结合。

1 .3 调节亚基(B 亚基)

调节亚基令人吃惊的特点是多样性, 即使识别 A 亚基的位点类似, 但其编码基因几乎没有同源性。它们调节PP2A 全酶活性、细胞内定位和对底物的专一性。

(1)PR55/B 家族

哺乳动物细胞内存在四种PR55/B 亚基:PR55/Bα、PR55/Bβ 、PR55/Bγ 和PR55/Bδ, 表达具有组织特异性。PR55/Bα和PR55/Bδ分布广泛;而PR55/Bβ 和PR55/Bγ主要表达于脑组织, 其表达与脑的发育相关, 出生后PR55/Bβ表达降低, 而PR55/Bγ迅速升高。PP2Ac 和A 亚基表达无组织特异性, B 亚基决定了PP2A 全酶的细胞内定位、组织特异性以及发育阶段的存在形式。

(2)PR61/B′家族

B′家族至少包括五种不同的基因产物, 分别命名为PR61α、PR61β 、PR61γ、PR61δ和PR61ε。人的PR61β 亚基有两种同工型(β1和β2)。PR61γ至少有三种剪接体(γ1 、γ2 、γ3)。所有的B′亚基都包含一个高度保守的中心区(80 %同源), 而羧基和氨基末端则表现出高度的多样性,提示保守区域可能和 A 亚基及PP2Ac 的结合有关,而多变的末端则赋予B′亚基多种功能, 如决定底物的特异性和细胞内定位。PR61α、PR61β 和PR61ε位于胞质, PR61γ主要位于核内, 而PR61δ在胞质和核内都存在。同时, PR61/B′的同工型表达也有组织特异性。PR61α和PR61γ广泛分布, 在心和骨骼肌中特别丰富;PR61β 和PR61δ主要表达于脑。在维甲酸诱导神经母细胞瘤分化过程中, PR61β