Le protein-chinasi e fosfatasi sono enzimi che catalizzano il trasferimento di fosfato tra i loro substrati. Una proteina chinasi catalizza il trasferimento di-fosfato da ATP (o GTP) ai suoi substrati proteici mentre una proteina fosfatasi catalizza il trasferimento del fosfato da una fosfoproteina a una molecola d’acqua. Anche se entrambi i gruppi di enzimi sono fosfotransferasi, catalizzano reazioni opposte per modulare le strutture e le funzioni di molte proteine cellulari nelle cellule procariote ed eucariotiche., Tra i vari tipi di modificazioni post-traduttive, la fosforilazione proteica e la defosforilazione sono le modificazioni più diffuse che regolano le strutture e le funzioni delle proteine cellulari in un ampio spettro di processi cellulari, che vanno dal controllo del destino cellulare alla regolazione del metabolismo. Ad esempio, anche se i geni delle protein chinasi costituiscono solo il 2% dei genomi nella maggior parte degli eucarioti, le protein chinasi fosforilano più del 30% delle proteine cellulari ., A causa dei ruoli significativi delle protein chinasi e delle fosfatasi nella regolazione cellulare, questo numero speciale si concentra sulla loro regolazione e sulle loro funzioni. In questo numero, ci sono due articoli di ricerca e sette recensioni su vari argomenti relativi alla struttura, alla regolazione e alle funzioni delle protein chinasi e delle fosfatasi. Insieme, danno ai lettori un assaggio del ruolo svolto dalle protein chinasi e dalle fosfatasi nella regolazione di molti processi fisiologici nelle cellule procariotiche ed eucariotiche. Evidenziano anche la complessità della regolazione delle protein chinasi e delle fosfatasi.,

La fosforilazione regola le funzioni proteiche inducendo cambiamenti conformazionali o interrompendo e creando superfici di interazione proteina-proteina . I cambiamenti conformazionali indotti dalla fosforilazione dipendono fortemente dal contesto strutturale della proteina fosforilata. Dopo la fosforilazione, il gruppo fosfato regola l’attività della proteina creando una rete di legami idrogeno tra specifici residui di amminoacidi nelle vicinanze. Questa rete di legami idrogeno è governata dalla struttura tridimensionale della proteina fosforilata e quindi è unica per ogni proteina., L’esempio più notevole di regolazione della funzione proteica mediante cambiamenti conformazionali indotti dalla fosforilazione è la glicogeno fosforilasi . La glicogeno fosforilasi, costituita da due subunità identiche, viene attivata dopo la fosforilazione di Ser-14 di ciascuna subunità da parte della fosforilasi chinasi . La fosforilazione di Ser-14 in un monomero crea una rete di legami idrogeno tra il gruppo fosfato e le catene laterali di Arg-43 dello stesso monomero e Arg-69 dell’altra subunità monomerica ., Questa rete induce significativi cambiamenti configurazionali intra e intersubunitari, consentendo l’accesso dei substrati ai siti attivi e allineando adeguatamente i residui cataliticamente critici nei siti attivi per la catalisi della reazione di fosforolisi.

La fosforilazione può anche modulare la funzione di una proteina interrompendo le superfici per le interazioni proteina-ligando senza indurre alcun cambiamento conformazionale., Ad esempio, la fosforilazione di Ser-113 dell’isocitrato batterico deidrogenasi inattiva quasi completamente l’enzima senza indurre cambiamenti conformazionali significativi . Il gruppo fosfato attaccato a Ser-113 blocca semplicemente il legame dell’enzima all’isocitrato. Allo stesso modo, la fosforilazione può anche creare una superficie legante il legante senza indurre cambiamenti conformazionali. Ad esempio, la fosforilazione della tirosina di alcune proteine cellulari crea i siti di legame per i domini SH2 e i domini PTB .

Le funzioni delle protein chinasi e delle fosfatasi sono mediate dai loro substrati bersaglio., Comprendere come le protein chinasi e le fosfatasi proteiche riconoscano i rispettivi substrati è uno dei metodi utilizzati da vari ricercatori per chiarire le funzioni fisiologiche di questi importanti enzimi. Prima del completamento del progetto genoma umano, la maggior parte delle protein chinasi sono state scoperte dopo le scoperte dei loro substrati proteici fisiologici. L’esempio più notevole è fosforilasi chinasi che è stato scoperto dopo glicogeno fosforilasi è stato scoperto per essere regolata da fosforilazione., Tuttavia, nell’era postgenomica, i geni che codificano le protein chinasi e le fosfatasi di un organismo sono noti al completamento del progetto del genoma. La sfida ora è identificare i loro substrati proteici fisiologici.,

Proteina chinasi impiegare due tipi di interazioni, di riconoscere i loro substrati fisiologici nelle cellule: (i) il riconoscimento del consenso fosforilazione di sequenza della proteina substrato per il sito attivo della proteina chinasi e (ii) distale interazioni tra le chinasi e il supporto, è mediata dal legame di docking motivo spazialmente separati da il sito di fosforilazione del substrato e interazione motivo o dominio che si trova distalmente dal sito attivo della chinasi ., Queste interazioni contribuiscono alla capacità delle protein chinasi di riconoscere i loro substrati proteici con una specificità squisita. Si prevede che la definizione della base strutturale di queste interazioni giovi all’identificazione di potenziali substrati fisiologici delle protein chinasi. Rilevante a questo proposito, l’approccio orientato combinatorio peptide library sviluppato nel 1990 e l’approccio più recentemente sviluppato posizionale scansione peptide library permettono una rapida determinazione della sequenza ottimale fosforilazione di molte proteine chinasi . In particolare, Mok et al., riferito facendo uso di questo approccio per definire le sequenze ottimali di fosforilazione di 61 su 122 chinasi proteiche codificate dal genoma di Saccharomyces cerevisiae . La scansione dei proteomi per le proteine che contengono motivi simili alla sequenza di fosforilazione ottimale di una protein chinasi aiuterà l’identificazione di potenziali substrati fisiologici della chinasi . Armati con la conoscenza di molte strutture tridimensionali conosciute di chinasi proteiche con il substrato peptidico legato al sito attivo, Brinkworth et al., progettato il programma PREDIKIN in grado di predire la sequenza di fosforilazione ottimale dalla struttura primaria di una proteina serina/treonina chinasi . Oltre agli approcci della biblioteca del peptide, i ricercatori possono anche cercare le proteine cellulari in lisati grezzi del tessuto o della cellula che sono fosforilati preferenzialmente da una chinasi della proteina in vitro. Questo metodo, denominato” chinasi substrate tracking and delucidation (KESTREL) ” ha portato all’identificazione di potenziali substrati proteici fisiologici di un certo numero di protein chinasi ., Infine, utilizzando specifici inibitori sintetici della protein chinasi a piccola molecola, i ricercatori sono stati in grado di eseguire analisi di fosfoproteomica su larga scala per identificare substrati proteici fisiologici di una specifica protein chinasi in cellule coltivate .

La specificità del substrato delle fosfatasi proteiche è regolata dalle interazioni tra motivi di interazione o domini situati distalmente dal sito attivo della fosfatasi e motivi di attracco distale separati spazialmente dai siti di fosforilazione bersaglio nei substrati proteici ., Poco si sa circa il ruolo delle interazioni attive sito-sito di fosforilazione nel dirigere una fosfatasi proteica per defosforilare specificamente i suoi substrati proteici. Utilizzando l’approccio oriented phosphopeptide library, diversi gruppi di ricercatori sono stati in grado di definire le sequenze di defosforilazione ottimali di diverse proteine tirosine fosfatasi , suggerendo che le interazioni sito-sito di fosforilazione attive svolgono anche un ruolo nel dettare la specificità del substrato delle proteine tirosine fosfatasi. Infine, l’approccio mutante substrato-trapping sperimentato da Flint et al., nell’ultimo decennio ha permesso l’identificazione di substrati proteici fisiologici di molte fosfatasi .

In questo numero speciale, i due articoli di ricerca si concentrano su come la piruvato deidrogenasi chinasi e l’Akt riconoscono i loro substrati fisiologici. L’articolo di TA Hirani et al. esplora come la piruvato deidrogenasi dirige il suo riconoscimento e la fosforilazione da parte della piruvato deidrogenasi chinasi. L’articolo di R. S. Lee et al. risultati riportati della loro indagine che mira a decifrare il meccanismo normativo che regola la specificità del substrato delle varie isoforme di Akt., L’articolo di recensione di A. M. Slupe et al. si concentra sulle basi strutturali che regolano il modo in cui la proteina fosfatasi 2A riconosce i suoi substrati fisiologici nelle cellule.

È ben documentato che la regolazione aberrante delle protein chinasi e delle fosfatasi contribuisce allo sviluppo di malattie. Ad esempio, l’attivazione costitutiva di molte proteine tirosin fosfatasi è nota per causare il cancro e le malattie neurodegenerative come il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson., Le protein chinasi e le fosfatasi sono regolate da interazioni proteina-proteina, legame dei ligandi e modifiche covalenti reversibili o irreversibili come la fosforilazione e la proteolisi limitata. In questo numero speciale, l’articolo di I. Nakashima et al. riassume come le tirosin chinasi proteiche sono regolate dalle reazioni redox. C. F. Dick et al. esaminato come l’attività delle fosfatasi proteiche e acide nei lieviti, nelle piante e in altri microrganismi è regolata dal fosfato inorganico.,

Tra i processi cellulari in cui sono coinvolte proteine chinasi e fosfatasi, questo numero contiene articoli di revisione che descrivono in dettaglio come proteine chinasi e fosfatasi regolano il ciclo cellulare, mediano la segnalazione del recettore toll-like e il controllo del destino cellulare e del canale del potassio e della concentrazione di calcio intracellulare nelle cellule epiteliali dei tubuli renali.

Oltre alle fosfatasi proteiche, le fosfatasi acide sono coinvolte nella regolazione di molti processi biologici come l’adattamento di un organismo allo stress e l’idrolisi della fosforilcolina., Questo numero contiene tre articoli di revisione sulla funzione, il meccanismo catalitico e la regolazione di questo importante gruppo di fosfatasi.

Heung-Chin Cheng
Robert Z. Qi
Hemant Paudel
Hong-Jian Zhu