Las proteínas quinasas y fosfatasas son enzimas que catalizan la transferencia de fosfato entre sus sustratos. Una proteína quinasa cataliza la transferencia de fosfato de ATP (o GTP) a sus sustratos proteicos, mientras que una proteína fosfatasa cataliza la transferencia de fosfato de una fosfoproteína a una molécula de agua. Aunque ambos grupos de enzimas son fosfotransferasas, catalizan reacciones opuestas para modular las estructuras y funciones de muchas proteínas celulares en células procariotas y eucariotas., Entre los diversos tipos de modificaciones postraduccionales, la fosforilación y desfosforilación de proteínas son las modificaciones más prevalentes que regulan las estructuras y funciones de las proteínas celulares en un amplio espectro de procesos celulares, que van desde el control del Destino celular hasta la regulación del metabolismo. Por ejemplo, aunque los genes de la proteína quinasa constituyen solo el 2% de los genomas en la mayoría de los eucariotas, las proteínas quinasas fosforilan más del 30% de las proteínas celulares ., Debido a las funciones significativas de las proteínas quinasas y fosfatasas en la regulación celular, este número especial se centra en su regulación y funciones. En este número, hay dos artículos de investigación y siete revisiones sobre diversos temas relacionados con la estructura, regulación y funciones de las proteínas quinasas y fosfatasas. Juntos, dan a los lectores una idea de los roles que desempeñan las proteínas quinasas y fosfatasas en la regulación de muchos procesos fisiológicos en células procariotas y eucariotas. También destacan la complejidad de la regulación de las proteínas quinasas y fosfatasas.,

la fosforilación regula las funciones de la proteína induciendo cambios conformacionales o por interrupción y creación de superficies de interacción proteína-proteína . Los cambios conformacionales inducidos por la fosforilación son altamente dependientes del contexto estructural de la proteína fosforilada. Tras la fosforilación, el grupo fosfato regula la actividad de la proteína creando una red de enlaces de hidrógeno entre residuos de aminoácidos específicos cercanos. Esta red de enlaces de hidrógeno se rige por la estructura tridimensional de la proteína fosforilada y, por lo tanto, es única para cada proteína., El ejemplo más notable de regulación de la función proteica por cambios conformacionales inducidos por fosforilación es la glucógeno fosforilasa . La fosforilasa de glucógeno, compuesta por dos subunidades idénticas, se activa tras la fosforilación de la Ser-14 de cada subunidad por la fosforilasa quinasa . La fosforilación de Ser-14 en un monómero crea una red de enlaces de hidrógeno entre el grupo fosfato y las cadenas laterales de Arg-43 del mismo monómero, así como Arg-69 de la otra subunidad monomérica ., Esta red induce cambios significativos en la configuración intra e intersubunidad, permitiendo el acceso de los sustratos a los sitios activos y alineando adecuadamente los residuos catalíticamente críticos en los sitios activos para la catálisis de la reacción de fosforólisis.

la fosforilación también puede modular la función de una proteína al interrumpir las superficies para las interacciones proteína-ligando sin inducir ningún cambio conformacional., Por ejemplo, la fosforilación de Ser-113 de la isocitrato deshidrogenasa bacteriana inactiva casi completamente la enzima sin inducir cambios conformacionales significativos . El grupo fosfato unido al Ser-113 simplemente bloquea la Unión de la enzima al isocitrato. Del mismo modo, la fosforilación también puede crear una superficie de unión al ligando sin inducir cambios conformacionales. Por ejemplo, la fosforilación de tirosina de algunas proteínas celulares crea los sitios de unión para los dominios SH2 y PTB .

Las funciones de las proteínas quinasas y fosfatasas están mediadas por sus sustratos diana., Comprender cómo las proteínas quinasas y las proteínas fosfatasas reconocen sus respectivos sustratos es uno de los métodos utilizados por varios investigadores para dilucidar las funciones fisiológicas de estas importantes enzimas. Antes de la finalización del proyecto del genoma humano, la mayoría de las proteínas quinasas fueron descubiertas después de los descubrimientos de sus sustratos proteicos fisiológicos. El ejemplo más notable es la fosforilasa quinasa que se descubrió después de que se descubrió que la fosforilasa de glucógeno estaba regulada por fosforilación., Sin embargo, en la era postgenómica, los genes que codifican las proteínas quinasas y fosfatasas de un organismo se conocen al finalizar el proyecto del genoma. El reto ahora es identificar sus sustratos proteicos fisiológicos.,

Las proteínas quinasas emplean dos tipos de interacciones para reconocer sus sustratos fisiológicos en las células: (I) reconocimiento de la secuencia de fosforilación de consenso en el sustrato proteico por el sitio activo de la proteína quinasa y (ii) interacciones distales entre la quinasa y el sustrato mediadas por la Unión del motivo de acoplamiento espacialmente separado del sitio de fosforilación en el sustrato y el motivo o dominio de interacción ubicado distalmente del sitio activo de la quinasa ., Estas interacciones contribuyen a la capacidad de las proteínas quinasas para reconocer sus sustratos proteicos con una especificidad exquisita. Se espera que la definición de la base estructural de estas interacciones beneficie la identificación de posibles sustratos fisiológicos de las proteínas quinasas. Relevante para esto, el enfoque de biblioteca de péptidos combinatorios orientado desarrollado en la década de 1990 y el enfoque de biblioteca de péptidos de barrido posicional más recientemente desarrollado permiten la determinación rápida de la secuencia de fosforilación óptima de muchas proteínas quinasas . En particular, Mok et al., reportado usando este enfoque para definir las secuencias óptimas de fosforilación de 61 de 122 proteínas quinasas codificadas por el genoma de Saccharomyces cerevisiae . Escanear los proteomas en busca de proteínas que contengan motivos similares a la secuencia de fosforilación óptima de una proteína quinasa ayudará a la identificación de posibles sustratos fisiológicos de la quinasa . Armado con el conocimiento de muchas estructuras tridimensionales conocidas de proteínas quinasas con el sustrato peptídico unido al sitio activo, Brinkworth et al., diseñado el programa PREDIKIN capaz de predecir la secuencia de fosforilación óptima de la estructura primaria de una proteína serina/treonina quinasa . Además de los enfoques de biblioteca de péptidos, los investigadores también pueden buscar proteínas celulares en lisados de células o tejidos crudos que son fosforilados preferentemente por una proteína quinasa in vitro. Este método, conocido como» seguimiento y elucidación del sustrato de la quinasa (cernícalo) » ha llevado a la identificación de posibles sustratos fisiológicos de proteínas de una serie de proteínas quinasas ., Finalmente, utilizando inhibidores específicos de la proteína quinasa de molécula pequeña sintética, los investigadores pudieron realizar análisis fosfoproteómicos a gran escala para identificar sustratos fisiológicos de proteínas de una proteína quinasa específica en células cultivadas .

La especificidad del sustrato de las fosfatasas proteicas se rige por las interacciones entre motivos de interacción o dominios ubicados distalmente del sitio activo de la fosfatasa y motivos de acoplamiento distales separados espacialmente de los sitios de fosforilación Diana en sustratos proteicos ., Poco se sabe sobre el papel de las interacciones sitio-fosforilación activa en la dirección de una fosfatasa de proteína para desfosforilar específicamente sus sustratos proteicos. Utilizando el enfoque de biblioteca de fosfopéptidos orientados, varios grupos de investigadores fueron capaces de definir las secuencias óptimas de desfosforilación de varias proteínas tirosina fosfatasas , lo que sugiere que las interacciones sitio-fosforilación sitio activo también juegan un papel en la determinación de la especificidad del sustrato de la proteína tirosina fosfatasas. Finalmente, el enfoque mutante de atrapamiento de sustrato fue pionero por Flint et al., en la última década ha permitido la identificación de sustratos proteicos fisiológicos de muchas fosfatasas .

en este número especial, los dos artículos de investigación se centran en cómo la piruvato deshidrogenasa quinasa y la Akt reconocen sus sustratos fisiológicos. El artículo de T. A. Hirani et al. explora cómo la piruvato deshidrogenasa dirige su reconocimiento y fosforilación por la piruvato deshidrogenasa quinasa. El artículo de R. S. Lee et al. reportaron los resultados de su investigación que tiene como objetivo descifrar el mecanismo regulador que rige la especificidad del sustrato de las diversas isoformas de Akt., El artículo de revisión de A. M. Slupe et al. se centra en la base estructural que rige cómo la proteína fosfatasa 2A reconoce sus sustratos fisiológicos en las células.

está bien documentado que la regulación aberrante de las proteínas quinasas y fosfatasas contribuye al desarrollo de enfermedades. Por ejemplo, se sabe que la activación constitutiva de muchas proteínas tirosina fosfatasas causa cáncer y enfermedades neurodegenerativas como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson., Las proteínas quinasas y fosfatasas están reguladas por interacciones proteína-proteína, unión de ligandos y modificaciones covalentes reversibles o irreversibles tales como fosforilación y proteólisis limitada. En este número especial, el artículo de I. Nakashima et al. resume cómo las proteínas tirosina quinasas son reguladas por reacciones redox. C. F. Dick et al. se revisó cómo la actividad de las proteínas y fosfatasas ácidas en levaduras, plantas y otros microorganismos está regulada por el fosfato inorgánico.,

entre los procesos celulares en los que las proteínas quinasas y fosfatasas están involucradas, este número contiene artículos de revisión que detallan cómo las proteínas quinasas y fosfatasas regulan el ciclo celular, median la señalización del receptor tipo toll y el control del Destino celular y el canal de potasio y la concentración de calcio intracelular en las células epiteliales del túbulo renal.

además de las proteínas fosfatasas, las fosfatasas ácidas están involucradas en la regulación de muchos procesos biológicos, como la adaptación de un organismo al estrés y la hidrólisis de la fosforilcolina., Este número contiene tres artículos de revisión sobre la función, el mecanismo catalítico y la regulación de este importante grupo de fosfatasas.

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