磷酸化酶激酶PhK的組裝與激活機制

蛋白質(zhì)磷酸化是細胞中重要的調(diào)控方式，而這一機制的發(fā)現(xiàn)很大程度上源于Edmond Fischer和Edwin Krebs對糖原磷酸化酶的研究^1-3。糖原是動物細胞內(nèi)葡萄糖的儲備庫；糖原磷酸化酶催化糖原分解為葡萄糖，是糖原降解的限速酶，其活性受到嚴格的調(diào)控。磷酸化酶激酶PhK催化糖原磷酸化酶發(fā)生磷酸化，將其從低活性的b形式轉(zhuǎn)化為高活性的a形式。這種磷酸化介導(dǎo)的調(diào)節(jié)機制的發(fā)現(xiàn)不僅拓寬了人們對能量代謝過程的認識，還改變了對細胞信號傳導(dǎo)的理解，是生物化學(xué)領(lǐng)域的重要里程碑。

PhK是**個被純化的蛋白激酶，也是**、最復(fù)雜的蛋白激酶之一，總分子量為1.3兆道爾頓。它包含α、β、γ和δ四個亞基。其中，α和β亞基是結(jié)構(gòu)亞基；γ亞基具有激酶活性，由一個持續(xù)激活的N端激酶結(jié)構(gòu)域（KD）和一個C端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域（CRD）組成；δ亞基為鈣調(diào)蛋白，但其特殊之處在于無論Ca²⁺是否存在，δ亞基都能緊密結(jié)合在PhK中，作為其不可或缺的組成部分^4,5。Ca²⁺可能通過與鈣調(diào)蛋白結(jié)合產(chǎn)生的構(gòu)象變化激活PhK。盡管關(guān)于PhK的研究已經(jīng)持續(xù)近70年，但其具體的組裝方式和激活的分子機理仍不完全清楚。2024年3月28日，生命科學(xué)學(xué)院肖俊宇教授課題組在Nature Communications期刊發(fā)表題為“Architecture and activation of human muscle phosphorylase kinase”的論文，揭示了PhK全酶的組裝和激酶活性自抑制機制，并提出了PhK的Ca²⁺激活模型。

PhK由α、β、γ和δ四個亞基組裝成α₄β₄γ₄δ₄十六聚體（圖1a）。β亞基和α亞基位于復(fù)合體的中心，為十六聚體的組裝骨架。其中，2個β亞基和2個α亞基以廣泛的相互作用形成α₂β₂亞復(fù)合體；2個α₂β₂再經(jīng)由β亞基C端形成的橋相互連接。行使激酶活性的γ亞基通過與α亞基的相互作用組裝到全酶上。δ亞基則牢牢結(jié)合在γ亞基CRD中的疏水螺旋αJ上，同時與KD也存在相互作用。γ亞基與α亞基之間的相互作用對其激酶活性的自抑制尤為重要。γ亞基KD的N-lobe和C-lobe分別連接α亞基D2和D5結(jié)構(gòu)域，使得γ亞基以催化口袋朝內(nèi)的方式扣在α亞基上。同時，γ亞基的自抑制結(jié)構(gòu)域（AID）以廣泛的疏水相互作用夾在C-lobe與α亞基D5結(jié)構(gòu)域之間，且AID中Lys361-Gln363占據(jù)了底物肽段的結(jié)合位置，通過“假底物”競爭抑制的機制實現(xiàn)了激酶活性的自抑制（圖1b，c）。該研究也進一步解析了PhK在Ca²⁺激活狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，并提出了Ca²⁺激活PhK的分模型：在接受到Ca²⁺信號后，δ亞基首先會與Ca²⁺結(jié)合并發(fā)生構(gòu)象變化；δ亞基的構(gòu)象變化傳導(dǎo)至AID與KDC-lobe的相互作用界面并將其打破，引起激酶活性自抑制的解除（圖2）。

總之，該研究基于高分辨率的結(jié)構(gòu)揭示了人源肌肉亞型PhK全酶的組裝機制，并提出了Ca²⁺激活模型，為深入研究這一重要激酶復(fù)合物的功能奠定了理論依據(jù)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

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