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RAS-MAPK细胞信号通路调控机制新突破 精选

已有 3858 次阅读 2022-8-16 06:42 |系统分类:科研笔记

 

被称为RAS-MAPK通路的细胞内信号网络的无约束激活是几种癌症和被称为rasopathes(RAS信号通路相关综合征)的发育综合征的原因。这一被充分研究的途径始于膜结合RAS GTPase- HRAS, KRASNRAS -当被细胞外生长因子蛋白激活时,结合核苷酸分子GTPRAS-GTP物理接触并激活一种称为RAF的激酶酶,触发信号级联,导致另一种激酶MAPK的激活。这种酶反过来调节参与许多细胞过程的蛋白质的活性。RAS如何激活RAF一直是许多研究的焦点。Liau等、Kwon等和Hauseman等在《自然》杂志上撰文,通过独立报道参与RAF激活的蛋白复合体的结构,阐明了这一关键步骤。

多种调控机制在RAS-MAPK通路上起锁定作用,降低了级联被不经意激活的可能性。其中一种锁是通过一种名为14-3-3的蛋白质二聚体与RAF的氨基端和羧基端两个磷酸化丝氨酸氨基酸残基(分别称为NTpSCTpS)之间的相互作用在细胞质中锁定非活性RAF 6RAS-GTP通过与RAF7上的ras绑定域进行物理交互,将RAF从这个安全位置移出。

 

我们对接下来发生的事情的分子理解在很大程度上仍然是猜测。主要观点是RAS-RAF结合取代了NTpS中的14-3-3。暴露的NTpS可以被去磷酸化,防止14-3-3的再结合。与此同时,RAS在细胞膜上形成团簇的能力诱导了两个RAF分子的二聚化——这是实现RAF催化活化的关键步骤(1)

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1 | SMP复合物如何帮助激活RAF蛋白。细胞内RAS - MAPK信号传递的早期步骤包括通过膜结合的RAS GTPase- HRASNRASKRAS(以下统称RAS)激活RAFa, RAF蛋白包含一个ras结合结构域(RBD),一个激酶结构域(KD)和两个带有磷酸基标记的丝氨酸残基,称为NTpSctp。当RAS不活跃时,NTpSCTpS结合到14-3-3蛋白二聚体,限制RAF在细胞质上。一个SHOC2-MRAS-PPC1 (SMP)蛋白复合物被认为大部分是不组装的,这是由于MRAS酶的不活性。b,生长因子刺激导致核苷酸GTP加载到RASMRAS上。RAS-GTPRAFRBD直接接触,可能诱导NTpS释放14-3-3MRAS-GTP触发SMP组装,使PP1C接近RAF并导致NTpS去磷酸化。3个组3 - 5已经解决了SMP的高分辨率结构,为这一过程的结构生物学提供了深入的见解。c,在NTpS去磷酸化后,两个RAF蛋白通过其KDs二聚,驱动RAF的催化活化并触发下游信号传导。RAF二聚体的稳定是由14-3-3二聚体结合到两个CTpS位点,并由RAS-GTP在膜上聚集的能力提供帮助。

 

据报道,一种名为SMP的蛋白复合物参与了NTpS的去磷酸化,它由支架蛋白SHOC2、另一种RAS GTPase (MRAS)和磷酸酶PP1的催化亚基(PP1C)组成。然而,人们对SMP复杂功能的几个方面仍然知之甚少。目前的三项研究都解决了SMP复合物的结构,从而为一些悬而未决的问题提供了答案。

这些基团从单独纯化的蛋白质中重组了SMP复合物,并确定了组装顺序和相互作用伙伴的结合亲和力。出现的显著特征是GTPMRAS的结合触发复合物的组装。与之前的观察结果一致9,10,所有三项研究也表明HRAS, KRASNRAS蛋白可以替代MRAS,尽管其亲和力大大降低。虽然这种复合物自然存在于细胞中还有待证实,但这些结果表明多种RAS gtpase可以支持smp样复合物的形成。

然后,研究小组分析了SMP复合物的结构——Liau等人和Kwon等人使用冷冻电子显微镜,Hauseman等人使用x射线衍射。它们聚集在一个相同的拓扑结构上,其中PP1CMRAS在月牙形的SHOC2中占据了较大的凹表面(1)。复合物的拓扑结构暴露了PP1C的催化位点和底物结合裂解。MRAS采用GTP结合的活性构象,可以与SHOC2PP1C广泛相互作用,这从结构上解释了为什么MRAS需要GTPMRASC端不参与这些相互作用,因此可用于将复合物锚定到细胞膜上。

一个重要的观察结果是,隐藏在复合物中的MRAS表面与RAS蛋白用于参与RAF的表面重叠。这表明单个RAS蛋白不能同时参与RAFSMP复合体- Hauseman等人和Liau及其同事通过实验验证了这一假设。因此,似乎需要两个RAS蛋白,每个都有不同的解锁任务,以激活单个RAF分子。其中一种将RAF招募到膜上,将其从被抑制的构象中释放出来;另一种为NTpS去磷酸化招募SMP复合物。

据我们所知,RAF中的NTpS是唯一被SMP复合物去磷酸化的底物。这表明酶-底物具有高度的选择性,但这是如何实现的尚不清楚。这仅仅是因为RAFPPC1在膜上共定位(在各自的ras -核复合物中),还是SMP复合物赋予PP1C去磷酸化NTpS的能力?与第二种假设一致的是,三项研究表明,在体外,SMP复合物对NTpS去磷酸化的效率显著高于单独的PP1C。此外,Liau等人提出,SMP复合物中PP1CSHOC2两个相邻的疏水区域并置可能会与NTpS周围的氨基酸残基结合,从而提供选择性。

增加MRASSHOC2PP1C活性的基因突变与rasopathies相关11 - 13SMP复合物的原子结构现在揭示了原因。结果表明,大多数在SHOC2PP1C的突变改变了氨基酸残基,这些残基是相互作用伙伴之间的直接接触点。在MRAS中,突变导致持续的GTP加载。目前研究中测试的所有激活突变都增强了smp复合物的形成。值得注意的是,Kwon等人还确定了在癌症数据库中反复发现的SMP成员的几个假定突变——尽管这些突变的致病作用仍有待证实。

在回答关键问题的同时,这三项研究也有助于构建进一步的研究。例如,MRAS结合的SHOC2-PP1C表面明显偏离ras结合域通常采用的折叠14。研究这种不寻常的结合是否是SMP复合体所特有的,或者RAS蛋白是否与一种更广泛的、缺乏典型RAS结合域的蛋白质相互作用,将是非常有趣的。

另一个问题是,除了RAF蛋白,SMP复合物在RAS-MAPK通路或其他地方是否还有其他底物。尽管遗传研究表明在SHOC2RAS-MAPK通路3 - 5,10之间存在紧密联系,但它们不排除SMP在其他通路中的作用。例如,有证据表明,SHOC2可能调节PI3K信号传导和mTOR信号传导16,但尚不清楚这种调节是否涉及去磷酸化事件。SHOC2可能还有其他与RASPP1C无关的功能。

最后,PP2A磷酸酶也可以去磷酸化NTpS位点,从而为pp1c依赖的NTpS去磷酸化提供了一个替代途径17,18。这一机制如何运作,以及PP2A如何与SMP复合物协调其活性,是一个值得进一步研究的迷人领域。

既然SMP的结构已经掌握,作为治疗癌症和RASopathies的药物靶点,该复合物的吸引力肯定会增加。毫无疑问,未来几年将会开发出选择性SMP抑制剂。我们希望其中一些能成功应用于临床。

 




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