Фосфорилирование и дефосфорилирование белков является центральным механизмом с помощью которого живые клетки воспринимают и отвечают на изменение внешних условий. Было показано, что целый ряд центральных функций таких как клеточный цикл, транскрипция и спаривание зависят от фосфорилирования белков. Исследование протеинкиназ и фосфатаз у грибов только начинается. Тем не менее, на сегодняшний день выяснено, что киназы и фосфатазы, по-видимому, являются необходимыми медиаторами процессов пролиферации у грибов, а также развития, передачи сигнала и морфогенеза, связанного с процессами инфицирования.
Грибы, как и все се живые организмы постоянно производят мониторинг внешнего и внутреннего окружения на предмет присуствия или отсутствия факторов, запускающих пролиферацию, дифференцировку, ингибирование роста или процесс гибели. В связи с этим, клетки вынуждены постоянно интегрировать различные внешние сигалы, чтобы контролировать прохождение или рассеивание определеных клеточных активностей. Первичным ответом на действие внешних стимулов является обратимая модификация влеточных составляющих, способных интегрировать внешние сигналы. У эукариот циклы фосфорилирования-дефосфорилирования представляют основной механизм для запуска клеточных каскадов в ответ на изменение внешних условий, будь то внутренние изменения, присущие процессу развития или ответ на внешние воздействия. Фосфорилирование с помощью протеинкиназ регулирует функции белков (прямо или передавая соответствующий сигнал), включенных в те или иные клеточные процессы при участии метаболических ферментов, через мембранные каналы и помпы, белки цитоскелета и факторы транскрипции. Фосфорилирование белков относится к одному из основных биохимических механизмов механизмов функциональной активности белков. Фосфорилирование белков с помощью протеинкиназ является всеобъемлющим универсальным механизмом регуляции, с помощью которого клеточные события в тканях контролируются внешними стимулами. По-видимому, протеинкиназы и протеинфосфатазы контролируют разные функции.
Существование уникальных (строго специфичных), а также общих мишеней для различных протеинкиназ и фосфатаз предполагает координацию регуляции клеточной функции при действии различных стимулов и активации разных систем посредников. При действии на клетку специфического стимула (гормона, фактора роста, и т.д.) в результате взаимодействия этого стимула с рецептором клеточной поверхности происходит включение каскада внутриклеточных событий, совокупность которых отражает физиологический ответ, специфичный для каждой клетки. Процесс трансмембранной передачи сигнала может индуцироваться рецептором, который в ряде случаев сам обладает протеинкиназной активностью и связан с образованием вторичных посредников, которые регулируют активность селективных протеинкиназ.
Системы фосфорилирования рецепторных белков состоят из 3х компонентов: 1. Протеинкиназы, катализирующие перенос фосфатной группы от донора (обычно АТФ, к акцептору - белок); 2. Белкового субстрата, к которому присоединяется фосфатная группа; 3. Фосфопротеинфосфаазы, которая катализирует отщепление фосфатной группы от субстрата. ПК используют гамма фосфатную группу АТФ (или ГТФ) и спиртовые группы сериновых, треониновых и тирозиновых остатков многих белков-рецепторов, которые могут подвергаться фосфорилированию. Следствием этого может быть перенос сигнала через мембрану, а также индукция проникновения рецепторов в клетку и изменение их функции.
Вполне возможно, что многие важные функции живых организмов непосредственно связаны с кооперативными изменениями в мембранах и в субмембранных цитоскелетных структурах (микротрубочках и микрофиламентах), играющих важную роль в трансмембранной передаче сигнала.
Одним из возможных результатов переноса фосфатной группы на функциональную группу белка является индукция конформационного изменения в белковой молекуле. Такие изменения могут возникать в результате фосфорилирования регуляторных центров белков. Фосфорилирование может также способствовать конформационному изменению в молекуле белка или перевести белок в состояние «богатое энергией», когда белок самопроизвольно меняет конформацию (как например, при мышечном сокращении). На сегдняшний день показано, что что контролю фосфорилированием подлежат около 40 ферментов. Одной из причин сильного регуляторного действия фосфорилирования на молекулы белков является вызываемое им перераспределение электрических зарядов в молекуле белка, приводящее к ковалентной модификации его структуры. При этом меняется характер взаимодействия этого белка с другими макромолекулами, что, в свою очередь, приводит к изменению их свойств. Если субстрат фосфорилирования – фермент, то могут меняться как скорость катализируемой им реакции, специфичность и зависимость от действия различных внутриклеточных эффекторов.
Помимо химического различия в структуре белка, при фосфорилировании серина, треонина или тирозина, имеет значение природа внеклеточного эффектора и вызванная им специфическая последовательноть реакций. но и тип протеинкиназы, а также стерическая близость АТФ и белкового субстрата (Северин Е.С., Кочетова, 1985). Аллостерический контроль –контроль внутри клетки; контроль фосфорилированием – контроль с поверхности клетки. В отличие от аллостерии, контроль фосфорилированием продолжается и после выключения сигнала, вызвавшего модификацию. Процесс фосфорилирования гораздо больше распространен у эукариотических организмов.
DICKMAN MB., Yarden O. Serine/threonine protein kinases and phosphatases in filamentous fungi. Fung. Genet. Biol. V. 26. P. 99-117, 1999.
Компъютерный анализ последовательностей генома S.cerevisiae выявил113 генов принадлежащих протеинкиназам из общих 6000 (Stark, 1996; Hunter, Plowman, 1997), что составляет примерно 2% от их общего числа. Большинство протеинкиназ – минорные клеточные белки, которые удается идентифицировать только молекулярно-биологическими методами. Однако экспериментально вызванная дисфункция многих протеинкиназ может привести к фатальным последствиям для клеток. Протеинкиназы регулируют клеточный цикл, дифференцировку, метаболические пути, участвуют в цепях передачи внутиклеточного сигнала и аномальное протекание этих процессов может вызывать развитие программируемой клеточной смерти – апоптоза. В запуске апоптоза тже участвуют протеинкиназы. Изучение клеточных функций и регуляции протеинкиназ является одним из основных направлений современной молекулярной и клеточной биологии.
Однако очень мало что известно отнсительно их функции, патнеров, и каскадов, в которых они участвуют.
В отличие от большого количества генов, ответственных за экспрессию протеинкиназ (Stark, 1966), только 31 последовательность в дрожжевом геноме, которые имеют различные мотивы протеинфосфатаз. По-видимому, это различие связано с субстратной специфичностью и если киназы обладают
строгой специфичностью, то фосфатазы, про-видимому, реагируют с несколькими определенными для каждой киназы мотивами. Вариации в структуре (включая регуляторные субъединицы и другие фосфатаз-ассоциированные полипептиды), вместе с временной и пространственной регуляцией являются подходящими факторами для расширения спектра субстратной специфичности фосфатаз (Сohen, 1997; Faux, Scott, 1996).
ЛИТЕРАТУРА:
1. А.А.Болдырев. Введение в мембранологию. Изд-во МГУ, 1990.
2. Н.Б.Гусев. Протеинкиназы: строение, классификация, свойства и биологическая роль. Соросовский образовательный журнал. Т.6, № 12, 2000
3. Ф.И.Аттаулаханов. Каскады ферментативных реакций и их роль в биологии.
Соросовский образовательный журнал. Т.6. № 7. 2000.
4. Dickman M.B., Yarden O. Serine/threonine kinases and phosphatases infilamentous
fungi. Fungal Genetics and Biology. V. 26. P.99-117. 1999/
PAKs и GSKs. Р21 активированные киназы- серин-треонин киназы, активируются путем связи с GTFase класа Rho из семейства Cdc42/Rac. Эти киназы найдены у большинства эукариот, где они регулируют многие процессы, включающие модуляцию МАПК-путей, динамику цитоскелетных элементов, прохождение клеточного цикла и апоптоз. PAK cостоит из CRIB домена на N-конце, и серин-треонин-киназы на С-конце. CRIB домен может быть связан с киназным доменом и ингибировать его активность. При связывании с GTFasой типа Rho (cвязанной c ГТФ) с CRIB, его ингибирование киназного домена снимается. Самый известный пример PAK – STE20-киназа у дрожжей, которая принимает участие в передаче сигнала феромона, осмотолерантности, филаментного и поляризованного роста.
GSKs. Вторая группа промежуточных киназ – germinal center kinases (GSK).
В отличие от PAK у них киназный домен на N-конце, а С-конец, по-видимому, играет роль аутоингибиторного домена и ингибирование его снимается при взаимодействии с другими белками upstream. Эти киназы у нейроспоры функционируют в стрессорных ответах. У дрожжей имеется два представителя этих киназ – Sps 1p и Kic 1p. Sps 1p киназа регулируется в процессе развития и нужна на поздних стадиях споруляции. Активность Kic 1p. Зависит от белка Cdc31p и необходим для целостности клеточной стенки у дрожжей. У нейроспоры две киназы этого класа, которые сходны с киназой из D/discoideum (cеверин-киназа)Этта киназа фосфорилирует актин связывающий белок –северин, что приводит к быстрой перестройке актина при амебоидном движении. Роль.тих киназ у нейроспоры невыяснена, но, по аналогии с другими эукариотическими микроорганизмами, можно предположить их участике в динамике цитоскелетных элементов и/или развитии аскоспор.
MAPКиназы нейроспоры действуют согласованно друг за другом, в конечном счете, фосфорилируя белки-мишени,регулируя транскрипцию, клеточный цикл и др. MAPКиназ ные модули регулируются целым рядом других белков у грибов, такими как GPRCs, PAKs, гистидинкиназами,Cdc 42p. У нейроспоры в геномеиобнаружено 9 МАПКиназ. Они по аналогии с дрожжами формируют три пути передачи сигнала: ответ на феромон-филаментный рост, осморегуляция-стресс и целостность клеточной стенки, как у S cer и Sch.pombe.
МАПКиназа МАК2 родственна МАКиназам дрожжей Fus 3p и Kss1 S.cerevisiae. Мутации по ее гену выражаются в неправильном конидиировании, женской стерильности и невозможности слияния гиф. OS-2 MAPK, родственная HOG1 –киназе у дрожжей, регулирует осмоичность и устойчивость к фенилпиррольным фунгицидам у нейроспоры. NRC1 MAPKKK родственна Ste11p у дрожжей, которая участвует в разных путях МАПКиназ у них. Сходно с mak2 мутантами, у nrc-1 мутантов неправильное конидииование,женская стерильость и невозможно слияние гиф.
Присутствие третьей МАРКиназы, сходной с аналогичной у M.grisea b S.cerevisiae cвидетельствует о возможности присутствия МАПКиназного пути, ответственного за целостность клеточной стенки у нейроспоры. В отличие от дрожжей, нейроспора не содержит никаких дополнительных компонентов каскада, выходящих за эти три модуля.Эти факты, вместе с наличием множественных GPCR и гистидинкиназами, указывают на большее интегрирование сигналов от мнжественных рецепторов у нейроспоры.
.