蛋白質磷酸化
日期：2024-02-02 16:01:07
蛋白質磷酸化是蛋白質中特定氨基酸殘基上磷酸基團的可逆添加，是一種基本的翻譯后修飾（PTM），可調控多種細胞過程。本文全面概述了蛋白質磷酸化，包括其機制、相關酶以及對蛋白質結構、功能和細胞信號通路的深遠影響。
1. 什么是蛋白質磷酸化？
蛋白質磷酸化是在特定氨基酸殘基上共價添加磷酸基團，是細胞信號傳導和控制的關鍵調節機制。它使細胞能夠對環境線索做出快速反應，并調節各種生物過程。
2. 磷酸化機制
蛋白質磷酸化是指將磷酸基團從 ATP 轉移到蛋白質中特定的氨基酸殘基上 [1]。最常見的磷酸化位點是絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基，但組氨酸和天冬氨酸等其他殘基也可被磷酸化。這一過程由稱為激酶的酶催化，激酶將磷酸基團轉移到目標蛋白質上。相反，蛋白磷酸酶會催化磷酸化蛋白質上的磷酸基團脫落，從而逆轉磷酸化過程。
圖1. 蛋白質磷酸化作用機制
2.1 蛋白激酶
磷酸化是激活蛋白激酶的關鍵機制，可啟動一系列事件，最終導致不同氨基酸的磷酸化 [4]。激酶的激活或失活可通過多種機制發生，包括激酶本身的順式磷酸化/自磷酸化、與激活劑或抑制劑蛋白結合或檢查它們在細胞中與底物的定位關系 [5]。
據估計，多達 30% 的人類蛋白質都是通過激酶活性進行修飾的，這凸顯了激酶在調節細胞通路方面的廣泛作用和影響。值得注意的是，激酶在調節信號轉導方面起著至關重要的作用，管理著細胞通訊和反應中的大多數細胞通路 [6]。
蛋白激酶是一組催化目標蛋白磷酸化的多種酶。激酶通過調節蛋白質活性、蛋白質與蛋白質之間的相互作用以及下游信號級聯的啟動，在細胞信號傳導中發揮著關鍵作用。根據其磷酸化的氨基酸殘基，激酶可分為多個家族。
以下是幾大類蛋白激酶：
| 分類 | 成員 | 功能 | |
|---|---|---|---|
| Serine/Threonine Protein Kinases (STKs) | AGC | PKA, PKG, PKC, Akt/PKB, S6 Kinase (S6K), RSK (Ribosomal S6 Kinase), MSPK1, MSPK2, PDK1, PKD, GRK1, GRK2, GRK3, GRK4, GRK6, GRK7, GRK8 | 參與多種細胞過程，包括新陳代謝、細胞周期調控和神經元信號傳導。 |
| Cyclin-dependent kinases (CDKs) | CDK1, CDK2, CDK3, CDK4, CDK5, CDK6, CDK7, CDK8, CDK9, CDK10, CDK11, CDK11A, CDK11B, CDK12, CDK13, CDK14, CDK15, CDK16, CDK17, CDK18, CDK19, CDK20 | CDK 在細胞周期調控網絡中起著核心作用，其主要生物學作用是調控細胞周期的不同階段，從 G1、S、G2 到 M 期，并完成整個周期。它們還參與調控神經細胞的轉錄、mRNA 處理和分化。 | |
| CAMK | CAMK1, CAMK2A, CAMK2B, CAMK2G, CAMK2D, CAMK4, CAMK1L1/MARK1, CAMK1L2/ARK5, CAMK1L3/MARK2, CAMK1L4/SNRK, CAMK1L5/MARK3, CAMK1L6/MARK4 | CAMK受Ca2+和鈣調素的結合調節，在神經元信號傳導、肌肉收縮和突觸可塑性中發揮重要作用。 | |
| CK1 (casein kinase 1) | CK1α/CSNK1A1, CK1β/CSNK1B, CK1γ/CSNK1G1, CK1δ/CSNK1D, CK1ε/CSNK1E, CK1γ/CSNK1G1, CK1ε/CSNK1E | 參與多種細胞過程，包括晝夜節律調節、Wnt信號傳導、囊泡運輸和DNA 修復。 | |
| MAPK | ERK1/MAPK3, ERK2/MAPK1, ERK3/MAPK6, ERK4/MAPK4, ERK5/MAPK7, JNK1/MAPK8, JNK2/MAPK9, JNK3/MAPK10, p38α/MAPK14, p38β/MAPK11, p38γ/MAPK12, p38δ/MAPK13 | 細胞對細胞外刺激（如生長因子、壓力和細胞因子）反應的關鍵調節因子。它們參與各種生物過程，包括細胞增殖、分化、存活、應激反應和免疫調節。 | |
| Tyrosine Protein Kinases (TKs) | Receptor Tyrosine Kinases (RTKs) | EGFR/ErbB1/HER1, ErbB2/HER2, ErbB3/HER3, ErbB4/HER4, insulin receptor (IR), IGF1R, FGFR1, FGFR2, FGFR3, FGFR4, PDGFRA, PDGFRB, VEGFR1/Flt1, VEGFR2/KDR/Flk1, VEGFR3 /Flt4, HGFR, KIT/CD117, RET, EphA1, EphA2, EphA3, EphA4, EphA5, EphB1, EphB2, EphB3, EphB4, EphB6, ALK | RTK在細胞生長、分化和存活過程中發揮著至關重要的作用。它們通過配體結合激活，包括生長因子、細胞因子和激素的受體。 |
| Non-receptor Tyrosine Kinases (NRTKs) | Src, Yes, Fyn, Lck, Lyn, Blk, Hck, Abl1, Abl2, Tec, Btk, Itk, Bmx, JAK1, JAK2, JAK3, Tyk2, Syk, ZAP70, Fer, Fes | 參與細胞內信號傳導途徑，調節細胞增殖、遷移和免疫反應等過程。 | |
| Dual-Specificity Kinases | MAPK Kinases (MAPKKs) or MEKs | MAP2K1/MEK1, MAP2K2/MEK2, MAP2K3/MKK3, MAP2K4/MKK4, MAP2K5/MKK5, MAP2K6/MKK6, MAP2K7/MKK7, MAP2K8/MKK8, MAP2K9/MKK9, MAP2K10/MKK10, MAP2K11/MKK11 | MAPKK磷酸化并激活MAPK，進而調節各種細胞過程，包括細胞增殖、分化、凋亡和應激反應。 |
| Dual-Specificity Tyrosine-Regulated Kinases (DYRKs) | DYRK1A, DYRK1B, DYRK2, DYRK3, DYRK4 | DYRKs磷酸化絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸殘基，參與各種細胞過程，包括發育、細胞周期調節和神經元功能。 | |
2.2 蛋白磷酸酶
磷酸酶的功能與激酶相反。它們就像 "分子剪刀"，將磷酸單酯切割成一個磷酸基團和一個帶有游離羥基的分子 [7][8]，從而逆轉磷酸化過程。
磷酸酶在終止信號傳導、重置蛋白質活性和維持細胞穩態方面發揮著至關重要的作用。根據催化亞基和底物特異性，磷酸酶可分為多個家族。以下是蛋白磷酸酶的主要類別及其相應功能：
| 分類 | 功能 | ||
|---|---|---|---|
| Protein Tyrosine Phosphatases (PTPs) | Receptor-type PTPs | PTPRC/CD45, PTPRF, PTPRO, PTPRT | PTPs 可使蛋白質中的酪氨酸殘基去磷酸化。它們在細胞信號傳導中發揮著重要作用，包括受體酪氨酸激酶信號傳導、生長因子信號傳導和細胞粘附調節以及細胞周期進展控制。PTPs 參與調控多種細胞過程，如細胞生長、分化和免疫反應。 |
| Non-receptor-type PTPs | PTPN1/PTP1B, PTPN2/TCPTP, PTPN11/SHP2, DUSP3/VHR | ||
| Serine/Threonine Phosphatases (STPs) | phosphoprotein phosphatases (PPPs) | Protein Phosphatase 1 (PP1), PP2A, PP2B, PP4, PP5, PP6, PP7 | PPPs 可調節糖原代謝、細胞周期進展、基因表達、蛋白質合成等細胞過程、 鈣依賴性信號通路、免疫反應、肌肉收縮和神經元功能。PPMs 的催化活性需要鎂或錳等二價金屬離子。它們參與多種細胞過程，包括細胞周期調節、DNA 損傷反應和細胞應激反應。 |
| metallo-dependent protein phosphatases (PPMs) | PPM1A, PPM1X, PP2C | ||
| Dual Specificity Phosphatases (DSPs) | DUSP1/MKP-1, DUSP6/MKP-3, VHR/DUSP3 | DSPs 是一類蛋白磷酸酶，能使目標蛋白中的磷酸酪氨酸和磷酸絲氨酸/磷酸蘇氨酸殘基去磷酸化。它們調節各種信號通路，包括 MAPK 信號、細胞周期進展和免疫反應。 |
|
| Aspartate-Based Phosphatases | Haloacid Dehalogenase (HAD) superfamily phosphatases | PPM1A, PPM2 | 天冬氨酸磷酸酶是一類能使目標蛋白質中的天冬氨酸殘基去磷酸化的蛋白磷酸酶。它們參與調控細菌雙組分信號系統，該系統在細菌應對環境變化的過程中發揮著關鍵作用。 |
| Cysteine-Based Protein Phosphatases (CBPs) | CPTP/PTPN22, LMPTP/ACP1 | 它們使酪氨酸磷酸化蛋白去磷酸化，負責調節細胞周期進程、細胞應激反應、細胞生長和分化以及維持蛋白質平衡。 | |
3. 蛋白質磷酸化及其結構
3.1 構象變化和蛋白質動力學
磷酸化可誘導蛋白質構象變化，改變其結構并調節其功能[2]。這些結構修飾可影響蛋白質與蛋白質之間的相互作用、蛋白質的穩定性、亞細胞定位和酶活性。磷酸化可充當分子開關，在各種刺激下將蛋白質 "打開 "或 "關閉"。
磷酸化事件可為含有特定磷酸化識別域的蛋白質創建結合位點，從而影響蛋白質之間的相互作用。這有利于蛋白質復合物的組裝和下游信號元件的招募，從而擴大和傳播信號級聯。
3.2 異構調節
磷酸化可通過異構機制調控蛋白質功能[3]。磷酸基團在特定位點的添加或移除可誘導蛋白質遠端區域的構象變化，從而改變其活性或對配體的親和力。這種異構調節可對細胞反應和信號放大進行微調。
3.3 酶的激活和抑制
磷酸化在調節酶活性方面起著至關重要的作用。它可以通過直接調節酶的催化位點或改變酶與底物或輔助因子的相互作用來激活或抑制酶。例如，絲氨酸/蘇氨酸激酶的磷酸化可導致激活，而酪氨酸激酶的磷酸化可導致抑制。
4. 信號轉導中的蛋白質磷酸化
磷酸化起著分子開關的作用，觸發一連串事件，將信號從細胞外環境傳遞到細胞核或其他細胞區，從而導致特定的細胞反應。它可以改變磷酸化蛋白的構象、活性、亞細胞定位和相互作用伙伴，從而調節其功能和下游信號轉導。
4.1 RTK 信號通路
受體酪氨酸激酶（RTK）通過將細胞外信號轉導為細胞內反應，在細胞通訊中發揮著重要作用。配體與 RTK 結合會引發受體二聚化和自身磷酸化，從而激活下游信號通路。受體中的磷酸化酪氨酸殘基可作為適配蛋白和下游效應因子的對接位點，從而啟動各種信號級聯。
圖2. RTK signaling pathway
圖片來源：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1044579X18301172
4.2 G蛋白偶聯受體信號傳導途徑
GPCR 信號途徑始于配體與細胞表面的 GPCR 結合。這將激活受體，使其構象發生變化。激活的 GPCR 隨后與 G 蛋白相互作用，導致 α 亞基與 βγ 亞基分離。
α亞基和βγ亞基獨立調節下游效應器，啟動細胞內信號級聯。這些級聯產生的第二信使可放大信號并激活蛋白激酶等下游效應物，最終調節細胞過程，包括基因表達、離子通道活性、神經遞質釋放和細胞代謝。
圖3. GPCR signaling pathway
圖片來源：https://www.nature.com/articles/aps2011200
4.3 MAPK信號通路
MAPK通路是一種由蛋白質磷酸化調控的特征明顯的信號級聯。MAPK通過連續的磷酸化事件被激活，從而導致下游效應因子（如轉錄因子）的激活。該途徑參與多種細胞過程，包括細胞增殖、分化和對細胞外信號的反應 [9]。
圖4. 哺乳動物細胞中的主要MAP激酶級聯
圖片來源：https://www.nature.com/articles/7290105
5. 蛋白質磷酸化與細胞周期調控
細胞周期是一個控制細胞分裂和增殖的高度調控過程，它受到蛋白質磷酸化的嚴格控制。細胞周期蛋白依賴性激酶（CDKs）及其調控亞基--細胞周期蛋白--協調著細胞周期不同階段的進展。CDK 及其底物的磷酸化可調節細胞周期檢查點的順序激活，并確保遺傳物質的準確復制和分裂。
5.1 磷酸化與細胞周期檢查點
磷酸化在細胞周期檢查點中起著至關重要的作用，細胞周期檢查點是確保 DNA 完整性和防止受損細胞繁殖的監控機制。特定檢查點的磷酸化事件可調節細胞周期進程的激活或抑制，從而為 DNA 修復留出時間，或在無法修復時觸發細胞程序性死亡。
5.2 對有絲分裂的調控
磷酸化事件還調控細胞分裂過程--有絲分裂。蛋白質磷酸化可協調有絲分裂紡錘體的組裝和解體、染色體的凝集和分離以及有絲分裂的進入和退出時間。有絲分裂磷酸化失調可導致細胞分裂異常和基因組不穩定。
6. 蛋白質磷酸化與基因表達
蛋白質磷酸化影響轉錄調控、染色質重塑、mRNA 加工和穩定性。蛋白質磷酸化是信號通路和基因表達程序之間的動態連接，確保基因表達模式在響應細胞和環境線索時受到精確且與環境相關的控制。
6.1 轉錄因子
磷酸化可調節轉錄因子的活性，轉錄因子是通過與特定 DNA 序列結合來控制基因表達的蛋白質。磷酸化事件可調節轉錄因子的 DNA 結合親和力、亞細胞定位、穩定性和轉錄活性，從而影響目標基因的表達。
6.2 染色質重塑
磷酸化還能調節染色質結構和轉錄機制的可及性。構成核小體核心的組蛋白可被磷酸化，從而導致染色質壓實的改變和染色質重塑復合物的招募。這些變化可促進或抑制基因轉錄。
6.3 RNA聚合酶
調節磷酸化事件可調節RNA聚合酶的活性，該酶負責在轉錄過程中從DNA模板合成RNA。RNA聚合酶II C端結構域的磷酸化會影響其與轉錄因子的相互作用以及其他轉錄機制的招募，最終影響轉錄輸出。
7. 蛋白質磷酸化的調控
蛋白質磷酸化的調控涉及激酶、磷酸酶、調節蛋白和信號通路之間復雜的相互作用。這種動態調控確保了對磷酸化事件的精確控制，使細胞能夠對環境線索做出反應，維持細胞平衡，并協調適當的生理過程。
7.1 激酶的激活與抑制
激酶和磷酸酶活性之間的平衡密切調節著磷酸化事件。各種機制，如其他信號分子的激活或抑制、亞細胞定位以及蛋白質與蛋白質之間的相互作用，都會影響激酶和磷酸酶的活性。這些酶的失調可導致異常磷酸化，并引發疾病。
7.2 支架蛋白和適配體
支架蛋白和適配體在協調信號通路中的磷酸化事件方面發揮著至關重要的作用。它們將信號級聯的多個成分結合在一起，促進有效的磷酸化并促進信號傳播。支架蛋白還有助于磷酸化事件的特異性和空間組織。
7.3 相互影響和反饋回路
磷酸化事件的發生往往與環境有關，不同信號通路和反饋回路之間存在串擾。通路之間的串聯可整合多種信號，而反饋回路則可微調信號輸出，并為細胞反應提供穩健性。這些調控機制可實現對細胞信號的精確控制和適應。
8. 疾病中的蛋白磷酸化失調
蛋白質磷酸化失調是許多疾病的共同特征，導致細胞信號傳導、新陳代謝和功能發生病理變化。
8.1 癌癥
蛋白磷酸化失調是癌癥的特征之一。激酶和磷酸酶的異常激活或失活，以及磷酸化位點或調控蛋白的突變，可導致細胞增殖失控、逃避凋亡和轉移 [10]。針對特定的磷酸化事件或信號通路已成為癌癥治療中一種很有前景的治療策略。
8.2 神經退行性疾病
蛋白質磷酸化異常與阿爾茨海默病、帕金森病和亨廷頓病等神經退行性疾病有關。在這些疾病中，激酶活性失調、tau 蛋白磷酸化改變以及信號通路受損都會導致神經元功能障礙和細胞死亡。
8.3 代謝紊亂
蛋白質磷酸化紊亂會導致代謝紊亂，包括糖尿病和肥胖癥。磷酸化事件調節胰島素信號、葡萄糖代謝、脂質平衡和能量平衡。這些過程的失調可導致胰島素抵抗、葡萄糖攝取受損和脂質代謝改變。
9. 以蛋白質磷酸化為靶點進行治療干預
靶向蛋白磷酸化已成為治療干預各種疾病的一種有前途的策略。通過操縱蛋白激酶和磷酸酶的活性，調節細胞信號通路，恢復細胞的正常功能。
9.1 激酶抑制劑
藥物研究的重點是開發激酶抑制劑作為靶向治療藥物。選擇性靶向特定激酶的小分子抑制劑在治療某些類型的癌癥和以磷酸化失調為特征的其他疾病方面取得了成功。然而，靶向選擇性、耐藥性和脫靶效應等挑戰仍有待解決。
9.2 磷酸酶調節
調節磷酸酶的活性是另一種潛在的治療干預途徑。然而，由于磷酸酶催化結構域的高度保守性，開發磷酸酶特異性調節劑面臨巨大挑戰。
9.3 挑戰與未來展望
盡管靶向蛋白質磷酸化通路為治療干預帶來了希望，但仍有一些挑戰需要解決。這些挑戰包括了解信號網絡的復雜性、提高靶點選擇性和療效、克服耐藥性以及開發特異性遞送和組織靶向策略。蛋白質組學、高通量篩選和計算建模等技術的進步將不斷加深我們對蛋白質磷酸化的理解，并為新型治療方法鋪平道路。
總之，蛋白質磷酸化是一個動態和高度調控的過程，在細胞信號傳導和調控中發揮著核心作用。它影響蛋白質的結構、功能以及蛋白質與蛋白質之間的相互作用，從而控制信號轉導、細胞周期調控、基因表達和細胞反應等多種生物過程。
我們對蛋白質磷酸化及其錯綜復雜的信號通路網絡的理解不斷進步，這將繼續揭示細胞生物學和疾病機制的復雜性。要破譯完整的磷酸化蛋白質組、確定新的靶點并開發創新的治療策略，還需要進一步的研究和技術進步。利用蛋白質磷酸化的力量具有巨大的潛力，可以促進我們對人類健康和疾病的了解，最終改進診斷和靶向治療。
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