Protein kinazele și fosfatazele sunt enzime care catalizează transferul fosfatului între substraturile lor. O protein kinază catalizează transferul fosfatului de la ATP (sau GTP) la substraturile sale proteice, în timp ce o fosfatază proteică catalizează transferul fosfatului de la o fosfoproteină la o moleculă de apă. Chiar dacă ambele grupuri de enzime sunt fosfotransferaze, ele catalizează reacțiile opuse pentru a modula structurile și funcțiile multor proteine celulare în celulele procariote și eucariote., Printre diferitele tipuri de modificări post-traducere, proteine fosforilarea și dephosphorylation sunt cele mai frecvente modificări care reglementează structurile și funcțiile de proteine celulare într-un spectru larg de procese celulare, variind de la soarta celulelor de control pentru reglarea metabolismului. De exemplu, chiar dacă genele protein kinazei constituie doar 2% din genomi în majoritatea eucariotelor, protein kinazele fosforilează mai mult de 30% din proteinele celulare ., Datorită rolurilor semnificative ale protein kinazelor și fosfatazelor în reglarea celulară, această problemă specială se concentrează asupra reglementării și funcțiilor lor. În această problemă, există două articole de cercetare și șapte recenzii pe diverse teme legate de structura, reglementarea și funcțiile protein kinazelor și fosfatazelor. Împreună, ele oferă cititorilor o bucatica de rolurile jucate de protein kinaze și fosfatazele în reglarea multor procese fiziologice din ambele celule procariote și eucariote. Ele evidențiază, de asemenea, complexitatea reglării protein kinazelor și fosfatazelor.,fosforilarea reglează funcțiile proteinei prin inducerea modificărilor conformaționale sau prin întreruperea și crearea suprafețelor de interacțiune proteină-proteină . Modificările conformaționale induse de fosforilare sunt foarte dependente de contextul structural al proteinei fosforilate. La fosforilare, grupul fosfat reglează activitatea proteinei prin crearea unei rețele de legături de hidrogen între reziduurile specifice de aminoacizi din apropiere. Această rețea de legături de hidrogen este guvernată de structura tridimensională a proteinei fosforilate și, prin urmare, este unică pentru fiecare proteină., Cel mai notabil exemplu de reglare a funcției proteice prin modificări conformaționale induse de fosforilare este glicogen fosforilaza . Glicogen fosforilaza, formată din două subunități identice, este activată după fosforilarea Ser-14 a fiecărei subunități de către fosforilază kinază . Fosforilarea Ser-14 într-un monomer creează o rețea de legături de hidrogen între gruparea fosfat și lanțurile laterale ale Arg-43 ale aceluiași monomer, precum și Arg-69 ale celeilalte subunități monomerice ., Această rețea induce modificări configuraționale semnificative intra – și intersubunitare, permițând accesul substraturilor la siturile active și alinierea adecvată a reziduurilor critice catalitic în siturile active pentru cataliza reacției de fosforoliză.fosforilarea poate modula, de asemenea, funcția unei proteine prin perturbarea suprafețelor interacțiunilor proteină-ligand fără a induce modificări conformaționale., De exemplu, fosforilarea Ser-113 a izocitratului dehidrogenazei bacteriene inactivează aproape complet enzima fără a induce modificări conformaționale semnificative . Grupul fosfat atașat la Ser-113 blochează pur și simplu legarea enzimei de izocitrat. De asemenea, fosforilarea poate crea, de asemenea, o suprafață de legare a ligandului fără a induce modificări conformaționale. De exemplu, fosforilarea tirozinei a unor proteine celulare creează locurile de legare pentru domeniile SH2 și domeniile PTB .funcțiile protein kinazelor și fosfatazelor sunt mediate de substraturile țintă., Înțelegerea modului în care protein kinazele și fosfatazele proteice recunosc substraturile respective este una dintre metodele utilizate de diverși investigatori pentru a elucida funcțiile fiziologice ale acestor enzime importante. Înainte de finalizarea proiectului genomului uman, majoritatea protein kinazelor au fost descoperite după descoperirile substraturilor proteice fiziologice. Cel mai notabil exemplu este fosforilaza kinaza care a fost descoperită după ce glicogen fosforilaza a fost descoperită a fi reglată prin fosforilare., Cu toate acestea, în epoca postgenomică, genele care codifică protein kinazele și fosfatazele unui organism sunt cunoscute la finalizarea proiectului genomului. Provocarea acum este de a identifica substraturile lor proteice fiziologice.,

Protein kinaze utilizează două tipuri de interacțiuni să recunoască lor fiziologice substraturi în celule: (i) recunoașterea consens fosforilarea secvența în proteine substrat de activ site-ul de proteine kinaza și (ii) distal interacțiuni între kinazei și substratul mediate prin legarea de andocare motiv separate spațial de fosforilare ului în substrat și interacțiunea motiv sau domeniu situat distal de la site-ul activ al kinazei ., Aceste interacțiuni contribuie la capacitatea protein kinazelor de a-și recunoaște substraturile Proteice cu o specificitate deosebită. Se așteaptă ca definirea bazei structurale a acestor interacțiuni să fie benefică pentru identificarea substraturilor fiziologice potențiale ale protein kinazelor. Relevant pentru acest lucru, abordarea orientată combinatorial biblioteca peptidelor dezvoltat în anii 1990 și abordarea mai recent dezvoltat de scanare pozițională biblioteca peptidelor permite determinarea rapidă a secvenței optime de fosforilare a multor protein kinaze . În special, Mok și colab., raportat folosind această abordare pentru a defini secvențele optime de fosforilare a 61 din 122 protein kinaze codificate de genomul Saccharomyces cerevisiae . Scanarea proteomilor pentru proteine care conțin motive similare secvenței optime de fosforilare a unei protein kinaze va ajuta la identificarea substraturilor fiziologice potențiale ale kinazei . Înarmat cu cunoașterea multor structuri tridimensionale cunoscute ale protein kinazelor cu substratul peptidic legat de situsul activ, Brinkworth și colab., proiectat programul PREDIKIN capabil să prezică secvența optimă de fosforilare din structura primară a unei proteine serină/treonin kinază . Pe lângă abordările bibliotecii peptidice, cercetătorii pot căuta, de asemenea, proteine celulare în lizate de celule brute sau țesuturi care sunt fosforilate preferențial de o protein kinază in vitro. Această metodă, denumită ” urmărirea și elucidarea substratului kinazei (KESTREL)” a condus la identificarea potențialelor substraturi proteice fiziologice ale unui număr de protein kinaze ., În cele din urmă, folosind inhibitori specifici de proteină kinază cu molecule mici, cercetătorii au reușit să efectueze analize fosfoproteomice pe scară largă pentru a identifica substraturile proteice fiziologice ale unei proteine kinaze specifice în celulele cultivate .

specificitatea substratului fosfatazelor proteice este guvernată de interacțiunile dintre motivele de interacțiune sau domeniile localizate distal de situsul activ al fosfatazei și motivele de andocare distală separate spațial de situsurile de fosforilare țintă din substraturile proteice ., Se știe puțin despre rolul interacțiunilor situsului activ-fosforilare în direcționarea unei fosfataze proteice pentru a defosforila în mod specific substraturile sale proteice. Folosind orientate phosphopeptide biblioteca abordare, mai multe grupuri de cercetători au fost în măsură să definească optime dephosphorylation secvențe de mai multe proteine tirozin fosfatazele , sugerând active site-fosforilarea site-ul interacțiuni, de asemenea, joacă un rol în dicteze specificitatea substratului de protein-tirozin fosfatazele. În cele din urmă, abordarea mutantă de captare a substratului a fost pionierată de Flint și colab., în ultimul deceniu a permis identificarea substraturilor proteice fiziologice ale multor fosfataze .în acest număr special, cele două articole de cercetare se concentrează asupra modului în care piruvat dehidrogenaza kinaza și Akt își recunosc substraturile fiziologice. Articolul lui T. A. Hirani și colab. analizează modul în care piruvat dehidrogenază direcționează recunoașterea și fosforilarea prin piruvat dehidrogenază kinază. Articolul lui R. S. Lee și colab. au fost raportate rezultatele investigației lor care vizează descifrarea mecanismului de reglementare care reglementează specificitatea substratului diferitelor izoforme ale Akt., Articolul de revizuire de A. M. Slupe și colab. se concentrează pe baza structurală care reglementează modul în care proteina fosfataza 2a recunoaște substraturile sale fiziologice în celule.este bine documentat faptul că reglarea aberantă a protein kinazelor și fosfatazelor contribuie la dezvoltarea bolilor. De exemplu, activarea constitutivă a multor fosfataze de tirozină proteică este cunoscută pentru a provoca cancer și boli neurodegenerative, cum ar fi bolile Alzheimer și Parkinson., Protein kinazele și fosfatazele sunt reglate prin interacțiuni proteină-proteină, legarea liganzilor și modificări covalente reversibile sau ireversibile, cum ar fi fosforilarea și proteoliza limitată. În acest număr special, articolul lui I. Nakashima și colab. rezumă modul în care tirozin kinazele proteice sunt reglate prin reacții redox. C. F. Dick și colab. revizuit modul în care activitatea fosfatazelor proteice și acide din drojdie, plante și alte microorganisme este reglementată de fosfatul anorganic.,

Printre procese celulare în care protein kinaze și fosfatazele sunt implicate, acest număr conține articole de revizuire detaliază cum protein kinaze și fosfatazele reglarea ciclului celular, media toll-like receptorilor de semnalizare, de control și de soarta celulelor și a canalelor de potasiu și calciu intracelular de concentrare renale tubulare celulele epiteliale.în plus față de fosfatazele proteice, fosfatazele acide sunt implicate în reglarea multor procese biologice, cum ar fi adaptarea organismului la stres și hidroliza fosforilcolinei., Acest număr conține trei articole de revizuire privind funcția, mecanismul catalitic și reglementarea acestui grup important de fosfataze.

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