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【科技前沿】孙金鹏团队合作揭示Arrestin-2 介导cRafMEK1ERK信号


发布日期:2021-09-19 17:52   来源:未知   阅读:

  G蛋白偶联受体 (GPCRs) 作为人体最大的膜蛋白家族,是重要的药物靶点,主要通过偶联G蛋白及Arrestin 介导人体内众多的信号转导。平行于G蛋白信号,Arrestin作为支架或催化剂,不仅可以使受体内吞并脱敏,还可通过招募各类下游蛋白,介导独立的信号通路,调节广泛的生理病理过程。深度解析Arrestin独立信号通路的形成机制并开发偏好性药物,是目前靶向GPCR的基础研究和临床用药中的热点科学问题。其中,丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号级联是Arrestin受GPCR调控所介导的重要信号通路之一,可被外部压力激活,调节细胞周期,转录调控、分化、增殖和凋亡等多种功能【1-3】。

  MAPK级联由三部分组成:MAPK激酶激酶 (MAP3K)、MAPK激酶 (MAP2K) 和MAPK。哺乳动物中有四种MAPK,包括ERKs (ERK1-2)、JNKs (JNK1-3), p38 (p38α-δ) 以及ERK5.每种MAPK都有对应的上游MAP3K和MAP2K。早期一系列重要的研究表明,Arrestin作为支架蛋白,可通过招募MAPK级联反应的蛋白组件促进GPCR所调控的激酶激活。比如,国外课题组发现血管紧张素受体AT1AR的激活,可导致Arrestin 3与JNK3在细胞囊泡内的偶联,促进JNK3的磷酸化,从而介导受体对MAPK激酶组件的空间分布和活性的调控【4】;另有报道肾上腺内CXCR7-Arrestin-MAPK通路还通过调节肾上腺囊下细胞增生的糖皮质激素分泌参与了机体对焦虑情绪的缓解【5】。国内马兰院士课题组和孙金鹏于晓课题组也先后发现Arrestin-ERK通路在压力应激下被肾上腺素受体激活后,可刺激新生蛋白的合成,调控学习和记忆功能【6, 7】。孙金鹏和于晓课题组还发现该通路在维持胰岛稳态等功能中也起到了决定作用【8】。虽然Arrestin介导MAPKs信号级联的细胞及生理作用已被广泛研究,但Arrestin与MAPK相互作用的招募过程和机制尚未完全阐明。

  2021年9月6日,孙金鹏教授团队与成均馆大学Ka Young Chung课题组合作,在PNAS杂志发表论文Scaffolding mechanism of Arrestin-2 in the cRaf/MEK1/ERK signaling cascade。该研究利用一系列系统和前沿生物物理学方法,包括氢/氘交换质谱 (HDX-MS)、色氨酸诱导荧光淬灭、核磁共振以及荧光共振能量转移等技术,深入解析了Arrestin-2调控ERK1/2激活过程中与该信号级联组分蛋白 (cRaf, MEK1和ERK2) 的相互作用,揭示了该信号级联的动态过程。其中,HDX-MS用于系统测量蛋白质主链中氢原子和溶剂中氘原子之间的交换速率,初步判定了蛋白质相互作用的结合界面,应用NMR技术结合色氨酸诱导的荧光淬灭技术准确定位了Arrestin-Raf-MEK1-ERK复合物内部组装过程的结合方式和构型变化。研究发现,Arrestin-2的激活是其与MEK1和ERK2相互作用的必要条件,而与cRaf的相互作用则不依赖于Arrestin-2的激活。结合对MAPK级联蛋白组件与Arrestin-2相互作用位点的分析,作者总结出了Arrestin-2作为支架蛋白调控该级联反应的动态机制,即Arrestin-2首先结合cRaf蛋白的RBD domain,释放其激酶结构域,从而打破cRaf 蛋白的自抑制构象,这一论点得到了细胞内BRET实验的数据验证。然后激活态的Arrestin-2与MEK1结合,此时cRaf的激酶结构域与MEK1结合在Arrestin-2 同侧,更有利于MEK1的磷酸化。紧接着,Arrestin-2招募ERK2蛋白,与磷酸化后的MEK1蛋白相向而立,进一步促进了ERK2的激活。

  研究还发现,香港免费最准六肖网站预测MEK1在与ATP结合后,更有利于与Arrestin-2相互作用,而结合了ATP的ERK2反而不易被Arrestin-2招募。这就意味着完全激活的ERK2(双磷酸化且与ATP结合)可能很容易从Arrestin-2分离,游离到胞内磷酸化其底物。在该信号转导过程中,受体与Arrestin复合物更像是一个培训中心,将附近区域性的ERK招募后,使其活力显著提高,然后释放到细胞质中催化。这种方式可能更有利于ERK对更多更大的底物发挥作用,而对Raf则不需要。该成果对于探究Arrestin-2介导的受体区域性信号转导中MAPK级联蛋白反应的催化机制,以及确定MAPK激活后的功能特异性具有重要意义。图1 Arrestin-2与MAPK级联组件相互作用模式图

  长期以来,孙金鹏课题组致力于研究Arrestin介导的独立信号转导机制,www.15674.com,发现了Arrestin偏好性激活离子通道的非G蛋白依赖的全新快速机制,发现了肾上腺素受体下游Arrestin在压力应激下对学习记忆的调控机制;创新性地提出了GPCR磷酸化编码的“笛子模型”,多聚脯氨酸码头分选及别构建调控理论,阐明了配体依赖的受体七次跨膜核心对Arrestin功能的指导规律,以及今年刚刚发表的磷酸化编码对Arrestin调控的时序机制,文章连续发表在Nature Communications, Biological Psychiatry, Nature Chemical Biology, Elife 等期刊。澳门福利彩票官方网站,在前期与成均馆大学Ka Young Chung 教授的合作中,还揭示了Arrestin-3与JNK3相互作用的结构机制。

  北京大学基础医学院博士后屈昌秀、成均馆大学博士Ji Yong Park、Min Woo Yun 为本文共同第一作者;成均馆大学Ka Young Chung教授,孙金鹏教授为共同通讯作者。

  原标题:《【科技前沿】孙金鹏团队合作揭示Arrestin-2 介导cRaf/MEK1/ERK信号级联的机制》

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