蛋白激酶概述： 定義、類型、功能、激活機制等
日期：2024-01-31 09:01:35
1978年，第一個癌基因Rous肉瘤病毒（v-Src）的轉(zhuǎn)化因子被證明是一種蛋白激酶。1981年，人們發(fā)現(xiàn)PKC可被腫瘤促進(jìn)劑磷脂醇 12-肉豆蔻酸13-乙酸酯（PMA）激活。這些發(fā)現(xiàn)證明了蛋白質(zhì)磷酸化在疾病發(fā)病機制中的重要作用，并為針對蛋白激酶/磷酸酶的藥物開發(fā)打開了大門。
本文將介紹蛋白激酶的定義、類型、功能和研究。
1. 什么是蛋白激酶？
蛋白激酶（PKs）屬于激酶家族，是一種磷酸轉(zhuǎn)移酶，負(fù)責(zé)將ATP中的γ-磷酸轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)的特定氨基酸殘基上。這一過程被稱為蛋白質(zhì)磷酸化，它是一個可逆的動態(tài)過程，由蛋白激酶和磷酸酶的競爭活動調(diào)節(jié)。在真核生物中，磷酸化主要發(fā)生在蛋白質(zhì)的Ser和Thr殘基上，也發(fā)生在Tyr殘基上。
蛋白激酶具有相似的三維催化結(jié)構(gòu)域。催化結(jié)構(gòu)域由250到300個氨基酸組成，包括一個較大（通常為 α-螺旋狀的C端子域和一個較?。ㄍǔ?β-片狀）的N端子域 [1][10]。N 端和C端由肽支架連接，形成一個深槽，使肽底物和ATP分子能夠結(jié)合。ATP結(jié)合區(qū)可根據(jù)ATP結(jié)合情況和酶的活化狀態(tài)旋轉(zhuǎn)成“開”和“關(guān)”兩種構(gòu)象 [2]。
圖1. 蛋白激酶的結(jié)構(gòu)
此外，蛋白激酶還具有非催化結(jié)構(gòu)域，可以連接底物和招募其他信號蛋白。
2. 蛋白激酶有哪些類型？
蛋白激酶按其磷酸化的氨基酸殘基可分為五大類，包括絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（ST-PKs）、酪氨酸蛋白激酶（TKs）、組氨酸特異性激酶、雙重特異性蛋白激酶和天冬氨酸/谷氨酸特異性蛋白激酶。
2.1 絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶
絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶是一個龐大的蛋白激酶家族，主要包括以下激酶：細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶、絲裂原活化蛋白激酶、蛋白激酶D、納豆激酶、DNA依賴性蛋白激酶和極光蛋白激酶以及胰激肽原酶。
圖2. 鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶的晶體結(jié)構(gòu)
細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶： 細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（CDKs）是絲氨酸/蘇氨酸激酶。CDKs亞基需要與相應(yīng)的細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才能激活。激活的CDKs具有蛋白激酶活性，能使不同的底物蛋白磷酸化，從而啟動或調(diào)節(jié)細(xì)胞周期。
CDK 在細(xì)胞周期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中起著核心作用，其主要生物學(xué)作用是調(diào)控細(xì)胞周期的不同階段，從G1、S、G2到M期，并完成整個周期 [3]。
CDKs激活的底物主要包括視網(wǎng)膜膠質(zhì)瘤蛋白、腫瘤抑制基因p107、p103等，具有促進(jìn)細(xì)胞周期相變、啟動DNA合成、運行細(xì)胞分裂、促進(jìn)細(xì)胞周期運轉(zhuǎn)等重要功能。CDK還參與調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄、mRNA處理和分化。
表 1：模式生物中控制細(xì)胞周期的細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶
| 物種 | 激酶 | 原名 | 功能 |
|---|---|---|---|
| 釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae） | Cdk1 | Cdc28 | All cell-cycle stages |
| 釀酒酵母（Schizosaccharomyces pombe） | Cdk1 | Cdc2 | All cell-cycle stages |
| 黑腹果蠅（Drosophila melanogaster） | Cdk1 | Cdc2 | M |
| Cdk2 | Cdc2c | G1/S, S, possibly M | |
| Cdk4 | Cdk4/6 | G1, promotes growth | |
| Xenopus laevis | Cdk1 | Cdc2 | M |
| Cdk2 | / | S, possibly M | |
| 人（Homo sapiens） |
Cdk1 | Cdc2 | M |
| Cdk2 | / | G1, S, possibly M | |
| Cdk4 | / | G1 | |
| Cdk6 | / | G1 |
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絲裂原活化蛋白激酶： 有絲分裂原激活蛋白激酶（MAPK）是細(xì)胞中的一類絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是控制胚胎發(fā)生、細(xì)胞分化、細(xì)胞增殖和細(xì)胞死亡的重要組成部分。MAPK參與引導(dǎo)細(xì)胞對各種刺激（如有絲分裂原、滲透壓、熱休克和促炎細(xì)胞因子）的反應(yīng)。
有絲分裂原活化蛋白激酶的基本形態(tài)沒有催化作用，需要磷酸化激活。MAP激酶受磷酸化級聯(lián)調(diào)節(jié)。它受由MAP激酶、MAPK激酶和MAPKK激酶組成的三級級聯(lián)調(diào)節(jié) [4]。然而，每種 MAPK 激酶都可以被一種以上的 MAPKK 激酶激活，從而增加了MAPK信號的復(fù)雜性和多樣性。
哺乳動物至少能表達(dá)四組不同的MAPK： 細(xì)胞外信號相關(guān)激酶（ERK）-1/2；Jun N端激酶（JNK1/2/3）；p38蛋白（p38α/?/γ/δ）；ERK5。這些蛋白由特定的MAPKKs激活： ERK1/2由MEK1/2激活，p38由MKK3/6激活，ERK5由MKK4/7（JNK1/2）激活，ERK5由MEK5激活。
圖3. MAPK的級聯(lián)調(diào)控
蛋白激酶D：它屬于一類新的Ser/Thr蛋白激酶，由蛋白激酶 C（PKC）激活。PKD參與調(diào)控細(xì)胞功能，如細(xì)胞高爾基反向膜轉(zhuǎn)運、細(xì)胞生長、增殖、遷移、分化和凋亡 [5]。
● PKD與心血管：PKD可保護(hù)心肌，減少鈣超載對心肌細(xì)胞的損傷 [6]。激活PKD可增強心肌收縮力 [7]。
● PKD與神經(jīng)元：PKD影響海馬神經(jīng)元中轉(zhuǎn)鐵蛋白受體（TFR）和低密度受體相關(guān)蛋白（LRP）的轉(zhuǎn)運。
● PKD與免疫調(diào)節(jié)：PKD還參與調(diào)節(jié)炎癥因子的釋放。
● PKD與腫瘤細(xì)胞：PKD可通過調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶（MMP）的表達(dá)來促進(jìn)腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移。
胰激肽原酶 胰激肽原酶是人體內(nèi)激肽酶家族中的一種蛋白水解酶。PK酶可通過激肽改善感覺或運動神經(jīng)的傳導(dǎo)速度，抑制血小板聚集，防止血栓形成，擴張血管，增強微循環(huán)，減輕缺血和缺氧 [8]。PKase與前列腺素E1（PGE1）在改善糖尿病周圍神經(jīng)病變（DPN）的病理變化和改善2型糖尿病患者的神經(jīng)功能方面具有相同的功效。因此，PKase將成為治療糖尿病神經(jīng)病變的潛在新藥 [9]。
2.2 酪氨酸激酶
酪氨酸激酶分為非受體酪氨酸蛋白激酶（NRTKs）、受體酪氨酸激酶（RTKs）和核酪氨酸蛋白激酶。
● 非受體酪氨酸蛋白激酶（NRTKs）
非受體酪氨酸蛋白激酶的重要結(jié)構(gòu)域主要有 SH1、SH2、SH3、PH、PTB 等，它們在激酶的催化反應(yīng)、酶定位、活性調(diào)控以及與其他分子的相互作用中發(fā)揮著重要作用。
非受體酪氨酸蛋白激酶分為11個家族，至少有30個成員。它們介導(dǎo)各種生長因子受體、細(xì)胞因子受體、淋巴細(xì)胞抗原受體和粘附分子整合素的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
非受體酪氨酸蛋白激酶主要包括：
- SRC 激酶家族：原癌基因c-Src的產(chǎn)物，參與抗原受體、細(xì)胞因子受體和整合素介導(dǎo)的跨膜信號傳導(dǎo)。
- JAK 激酶家族（Janus 激酶）：包括JAK1、JAK2、JAK3和TYK2。它們主要介導(dǎo)細(xì)胞因子受體的跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
- Sky/ZAP-70家族：包括Sky和zeta鏈相關(guān)蛋白-70。它介導(dǎo)淋巴細(xì)胞抗原受體和某些細(xì)胞因子受體的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，在淋巴細(xì)胞分化、發(fā)育和活化過程中具有重要作用。
此外，受體酪氨酸蛋白激酶還包括CSK家族、Tec家族和粘附斑塊激酶家族等。最后，我們總結(jié)了非受體酪氨酸蛋白激酶，并將其列于表2中。
表2：非受體酪氨酸蛋白激酶
| 家族 | 激酶 |
|---|---|
| ABL family | ABL1, ARG |
| ACK family | ACK1, TNK1 |
| CSK family | CSK, MATK |
| FAK family | FAK(PTK2), PYK2 |
| FES family | FES, FER |
| FRK family | FRK, PTK6(BRK), SRMS |
| JAK family | JAK1, JAK2, JAK3, TYK2 |
| SRC family | SRC, FGR, FYN, YES1, BLK, HCK, LCK, LYN |
| TEC family | TEC, BMX, BTK, ITK, TXK |
| SYK family | SYK, ZAP70 |
● 受體酪氨酸激酶（RTK）
是許多多肽生長因子、細(xì)胞因子和激素的高親和性細(xì)胞表面受體。目前已發(fā)現(xiàn)約20種不同的RTK類別。
表3： 受體酪氨酸激酶
| 分類 | 受體家族 | 激酶 |
|---|---|---|
| RTK class I | EGF receptor family | EGFR, ERBB2, ERBB3, ERBB4 |
| RTK class II | Insulin receptor family | INSR |
| RTK class III | PDGF receptor family | PDGFRA, PDGFRB |
| RTK class IV | VEGF receptors family | VEGFR1(FLT1), VEGFR2(KDR), VEGFR3(FLT4) |
| RTK class V | FGF receptor?family | FGFR1, FGFR2, FGFR3, FGFR4, FGFRL1 |
| RTK class VI | CCK receptor family | CCKAR, CCKBR |
| RTK class VII | NGF receptor family | NGFR |
| RTK class VIII | HGF receptor family | MET |
| RTK class IX | Eph receptor family | EPHA1, EPHA2, EPHA3, EPHA4, EPHA5, EPHA6, EPHA7, EPHA8, EPHA9, EPHA10, EPHB1, EPHB2, EPHB3, EPHB4, EPHB5, EPHB6 |
| RTK class X | AXL receptor family | AXL |
| RTK class XI | TIE receptor family | TIE1,TIE2 |
| RTK class XII | RYK receptor family | RYK |
| RTK class XIII | DDR receptor family | DDR1, DDR2 |
| RTK class XIV | RET receptor family | RET |
| RTK class XV | ROS receptor family | ROS1 |
| RTK class XVI | LTK receptor family | LTK |
| RTK class XVII | ROR receptor family | ROR1, ROR2 |
| RTK class XVIII | MuSK receptor family | MUSK |
| RTK class XIX | LMR receptor | LMTK2 |
| RTK class XX | Undetermined | / |
● 核酪氨酸蛋白激酶
涉及轉(zhuǎn)錄過程和細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)。
2.3 組氨酸特異性蛋白激酶
組氨酸蛋白激酶是一種使底物蛋白中的組氨酸磷酸化的激酶，主要包括雙組分組氨酸蛋白激酶，它可以調(diào)節(jié)對環(huán)境刺激的反應(yīng)。
雙組分哺乳動物組氨酸蛋白激酶：支鏈α-酮酸脫氫酶激酶（BCKDHK）和丙酮酸脫氫酶激酶（PDHK）。
2.4 雙特異性蛋白激酶
雙特異性蛋白激酶具有雙特異性激酶活性，既可為絲氨酸/蘇氨酸激酶，也可為酪氨酸激酶。
2.5 天冬氨酸/谷氨酸特異性蛋白激酶
蛋白質(zhì)的?；橇资荏w。天冬氨酸/谷氨酸特異性蛋白激酶可將天冬氨酸/谷氨酸磷酸化。
3. 蛋白激酶的功能？
蛋白激酶通過磷酸化目標(biāo)蛋白，在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮分子開關(guān)的動態(tài)調(diào)節(jié)功能。它們在細(xì)胞信號傳導(dǎo)、細(xì)胞代謝調(diào)節(jié)和其他重要的細(xì)胞功能中形成了一個縱橫交錯的網(wǎng)絡(luò)。
蛋白激酶磷酸化是真核生物中最常見、最重要的翻譯后修飾之一。它在生物體的基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、分化、凋亡、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫調(diào)節(jié)、新陳代謝、運動、膜轉(zhuǎn)運、腫瘤發(fā)生等各個方面發(fā)揮著重要作用。
蛋白激酶主要通過兩種方式調(diào)控信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。一種是通過磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性。另一種是通過蛋白質(zhì)的逐步磷酸化放大信號，從而引起細(xì)胞對外界刺激的反應(yīng)。
4. 蛋白激酶如何被激活？
蛋白激酶是通過其催化環(huán)的磷酸化激活的，而催化環(huán)的磷酸化又會激活一連串事件，導(dǎo)致亞基的不同氨基酸發(fā)生磷酸化。
與其他蛋白質(zhì)的相互作用控制著蛋白激酶的活性。這可能發(fā)生在多個蛋白激酶之間的多層蛋白激酶級聯(lián)過程中。其他蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間的相互作用，如涉及 Ca2+/鈣調(diào)蛋白激酶的相互作用，則以依賴第二信使或受體-配體相互作用的方式調(diào)節(jié)激酶的活性。第三相互作用是噬蛋白酶對目標(biāo)蛋白磷酸化水平的調(diào)節(jié)，噬蛋白酶是蛋白激酶的功能拮抗劑。
亞細(xì)胞定位在決定蛋白激酶的活性和特定物理功能方面起著重要作用。蛋白激酶的氨基酸序列基序或與激酶活性相關(guān)的其他蛋白質(zhì)可能決定了蛋白激酶的亞細(xì)胞分布。
5. 蛋白激酶與疾病研究
蛋白激酶通過調(diào)節(jié)底物蛋白的活性、相互作用和穩(wěn)定構(gòu)象，間接調(diào)控細(xì)胞功能，在細(xì)胞信號傳導(dǎo)途徑、免疫反應(yīng)、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)和能量平衡等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
一旦磷酸化過程出現(xiàn)異常，相關(guān)的信號通路就會出現(xiàn)功能障礙。因此，蛋白質(zhì)磷酸化異常與多種疾病相關(guān)，從癌癥 [11] 到炎癥性疾病、糖尿病并發(fā)癥 [12] 、感染性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、神經(jīng)退行性疾病 [13] 和心臟功能障礙 [14]。
CDK 的異常表達(dá)可導(dǎo)致消化系統(tǒng)腫瘤和 [15] 血液系統(tǒng)腫瘤，如骨髓增生異常綜合征（MDS）和急性粒細(xì)胞白血?。ˋML）。此外，CDK 的異常表達(dá)還見于乳腺腫瘤 [16]和其他惡性腫瘤，如肺癌 [17]、食管鱗狀細(xì)胞癌 [18]、惡性黑色素瘤、脂肪肉瘤 [19]、髓母細(xì)胞瘤 [20]和前列腺癌。
蛋白激酶突變導(dǎo)致的疾病可通過靶向特定蛋白激酶進(jìn)行治療。蛋白激酶已成為治療疾病的藥物靶點 [21]，美國食品和藥物管理局（FDA）已批準(zhǔn)多種蛋白激酶抑制劑用于癌癥治療。不同的蛋白激酶抑制劑用于不同的蛋白激酶。
蛋白酶抑制劑已被用于治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎（RA）。目前的蛋白酶抑制劑主要是非受體酪氨酸激酶（JAK）抑制劑、脾臟酪氨酸激酶（Syk）抑制劑、絲裂原活化蛋白激酶 p38 抑制劑 [22][23]。此外，一些研究人員發(fā)現(xiàn)，蛋白激酶是控制肥胖和糖尿病的開關(guān)。
由于酪氨酸激酶在細(xì)胞中的信號傳導(dǎo)作用，它也是一個重要的藥物靶點 [24]。目前使用的抗腫瘤 PTK 抑制劑主要是嘧啶類化合物、蛋白肽 PTK 抑制劑和萜類化合物。此外，胸苷激酶 1（TK1）已被證明在腫瘤的早期檢測、療效評估和預(yù)后判斷中具有重要作用。
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