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钙调磷酸酶参与人体的细胞和器官的特异性进化过程, 特别是它可以作为一些人体疾病的治疗靶点, 具有临床上的意义
2018年09月21日 09:54   化工热点  

1 钙调磷酸酶及其调控
蛋白磷酸酶家族包括PP1、PP2A、PP2B、PP2C 和PP4-7。钙调磷酸酶(PP3/PP2B)属于丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白磷酸酶PP2B(PP3)家族成员。钙调磷酸酶以异源二聚体的形式存在, 它由催化亚基 (CnA)和调节亚基(CnB)组成。在酿酒酵母中, 钙调磷酸酶的催化亚基由CNA1和CNA2两个基因编码, 而调节亚基由CNB1基因编码。钙调磷酸酶的基本序列和高级结构决定了它作用底物的特异性, 也限制了它在细胞中的主要调节功能。另外, 钙调磷酸酶有两个特殊的Fe2+/Zn2+金属结合中心, 它需要还原态的铁参与催化磷酸酯水解反应, 通过两步金属激活过程, 使钙调磷酸酶在胞内的氧化还原反应与功能联系起来。
Ca2+和钙调蛋白共同调节钙调磷酸酶的活性, 使其对不同的钙离子信号和胞内钙离子浓度的时空变化做出应答。通过对酿酒酵母的研究显示, 钙调磷酸酶和底物的相对亲和力决定了钙调磷酸酶信号的钙离子阈值, 并影响钙调磷酸酶信号转导的特异性和后续的细胞应答特性。激活的钙调磷酸酶和底物形成一个稳定而具有弹性的结构, 来迅速应答细胞的信号需求。
钙调磷酸酶的异源二聚体结构不仅使它具有自主调控的活性和对其信号途径的调节作用, 也决定了它对微生物衍生的免疫调节剂的敏感性。它对冈田酸毒素(okadaic acid)、花萼海绵诱癌素(calyculin) 和微囊藻素(microcystin)具有抗性。 这些毒素是 PP1和PP2A活性的抑制剂。 但是钙调磷酸酶对环孢霉素A(cyclosporin A, CsA)和FK506(tacrolimus)敏感, 这些因子分别通过cyclophilin A和FK506-结合蛋白12(FKBP12)与钙调磷酸酶作用。CsA-cyclophilin A和FK506-FKBP12复合物在结构上并不相关, 它们作用于钙调磷酸酶的不同而又重叠的位点上。这些抑制复合物和底物竞争性地与钙调磷酸酶结合, 从而间接地抑制了钙调磷酸酶的功能。钙调磷酸酶参与人体的细胞和器官的特异性进化过程, 特别是它可以作为一些人体疾病的治疗靶点, 具有临床上的意义。因此, FK506和CsA作为免疫抑制剂已经被广泛应用。
2 RCAN(regulator of calcineurin)
 Rcn1是在真菌中首先发现的钙调磷酸酶的生理调控因子, 它通过与钙调磷酸酶直接结合发挥作用。在线虫、果蝇、小鼠和人类等高等真核生物中, Rcn1是保守的, 说明它对钙调磷酸酶信号转导的调控具有广泛的重要性。这些生物体中表达Rcn1的基因都已被鉴定出来, 它们组成RCAN1基因家族。
在酿酒酵母中, Rcn1直接识别钙调磷酸酶的催化亚基, 而在新隐球菌(Cryptococcus neoformans)中它可以识别钙调磷酸酶的催化亚基和调节亚基。 Rcn1与钙调磷酸酶的识别, 可能是与其氨基和羧基末端的结构域作用位点形成多价体, 这种识别对钙调磷酸酶-FK506/FKBP12的相互作用是敏感的, 并且不依赖于钙离子/钙调蛋白激活的钙调磷酸酶活性。在哺乳动物中, 许多RCAN1的 C末端基序 (motif)已经被鉴定出来, 其中包括一个PxIxxT基序 (与转录因子NFATc家族钙调磷酸酶的特异性PxIxIT 停泊位点(docking site)相似)和一个ELHA基序。这两个基序各自结合钙调磷酸酶, 并且它们对激活的钙调磷酸酶和NFATc的影响和钙调磷酸酶/NFATc 介导的基因表达的影响是不同的。Rcn1有一个由 22个Ser-Pro(SP)重复氨基酸组成的核心区域, 这个区域在高等真核生物的RCAN1中是保守的, 并且它的功能类似于酿酒酵母中钙调磷酸酶的靶标和效应蛋白Crz1的保守SP重复序列。
上述保守的结构域是Rcn1在体内调节钙调磷酸酶功能所必需的, 也是钙调磷酸酶信号转导途径与其它胁迫激活的信号网络的整合所必需的。Rcn1对钙调磷酸酶活性的调节是通过改变它的SP 重复序列上两个Ser残基的磷酸化水平来实现的, 这两个Ser残基相继分别被p42/44丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和糖原合成酶激酶(GSK3)家族成员 Mck1磷酸化。SP重复序列的磷酸化水平并不 明显影响钙调磷酸酶的与Rcn1的关联, 但是能调节Rcn1是作为靶标亚基还是作为特异性调节器的功能, 这种调节依赖于钙调磷酸酶调节组分的相对剂量。
Rcn1和它的功能同系物受到翻译后调控, 如通过改变磷酸化状态或形成多分子复合物, 来调节蛋白质的稳定性, 这种调控可能是种间特异性的。在酿酒酵母cmd1-6缺失株(无钙调蛋白功能)、cnb1缺失株(不表达钙调磷酸酶的调节亚基)和野生型菌株中研究Rcn1-HA的表达发现, 没有信号刺激时, 钙调磷酸酶(不论是否是活性状态)的表达是细胞积累 Rcn1-HA所必需的, 说明Rcn1-钙调磷酸酶复合物的主要作用是调节Rcn1的半衰期。哺乳动物的 Rcn1同系物RCAN1, 在未受刺激的细胞中虽然与钙调磷酸酶相关, 但是没有发现它们之间的相互作用对RCAN1的稳定性有影响。
真菌细胞中, 热激蛋白Hsp90与钙调磷酸酶结合使其处于稳定状态, 而Hsp90解离后激活钙调磷酸酶, 从而对胁迫刺激和钙离子/钙调蛋白结合产生应答(图2) 。Rcn1、FKBPs或者cyclophilins与钙调磷酸酶作用直接抑制它的功能。MAPK和GSK3的激酶活性以及钙调磷酸酶的磷酸酶活性共同调节Rcn1 的磷酸化水平。下游的效应因子, Crz1和Hph1, 被钙调磷酸酶去磷酸化, 从而调节真菌的致病相关过程, 它们包括形态变化对离子、血清和生长温度的应答, 以及膜运输和细胞壁完整性。