激酶复合物McsA-McsB的冷冻电镜结构解析及其功能机制
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蛋白质的磷酸化是一种由激酶和磷酸酶介导的重要翻译后修饰(PTM),在细胞的多种生理过程中扮演着核心角色,包括新陈代谢、转录、细胞分化和细胞间通讯等。在众多激酶中,McsB是革兰氏阳性菌中唯一已知的精氨酸磷酸化激酶,主要负责细菌在热应激条件下对蛋白质功能和稳定性的动态调控。McsB通过与激活蛋白McsA结合,在热应激下有效磷酸化热休克转录调节因子CtsR,促进其转录抑制的解除,从而帮助细菌降解因热应激导致的变性蛋白。
尽管McsA对McsB的激活作用已被广泛关注,然而,McsA-McsB复合物的具体结构及其激活机制仍未明了。为了填补这一知识空白,中山大学和四川大学的研究团队首次利用冷冻电镜技术揭示了金黄色葡萄球菌中McsA-McsB复合物的三维结构。研究结果显示,McsB的四个亚基通过中心夹层形成二聚体结构,两个二聚体之间有30度的旋转,暴露出激酶活性位点。每个McsA亚基通过锌指结构域和α螺旋与McsB的单体相互作用,形成4 McsA与4 McsB的复合物。
锌指结构域在McsA与McsB相互作用中起着重要作用,若破坏这一结构域,McsA将无法与McsB结合,进而失去激活能力。同时,McsB的长环区通过与McsA的锌指结构域和两个α螺旋形成相互作用,催化残基C157的空间位置也受到长环区的影响。研究者推测,McsA的结合可能稳定McsB的长环区,进而固定C157的朝向,从而增强McsB对CtsR的磷酸化能力。
为了验证上述假设,研究团队采用分子动力学(MD)模拟分析了McsB和McsA-McsB复合物的动态行为。结果表明,McsA结合后,McsB长环区的柔性显著增强,尤其是与催化残基C157相关的区域。这一发现进一步揭示了McsA在稳定McsB结构及其激酶活性中的关键作用。
此外,McsA的结合位点靠近McsB的底物结合口袋,这暗示McsA可能会干扰McsB与底物CtsR的结合。通过微量热涌动(MST)和生物层干涉(BLI)等实验,研究者发现McsA的结合显著降低了McsB对CtsR的结合亲和力,特别体现在解离速率的增加上,这表明McsA的结合加速了磷酸化CtsR的离去速率,从而提高了反应循环的效率。
综上所述,该研究首次解析了McsA-McsB激酶复合物的冷冻电镜结构,揭示了McsA通过其锌指结构域和α螺旋与McsB结合,稳定McsB的关键催化半胱氨酸残基C157,并显著降低底物CtsR与McsB的结合能力,加速磷酸化反应的进行。这一磷酸化修饰通过McsA激活McsB,使CtsR的抑制作用解除,有效响应环境变化,维持细胞内蛋白质的质量和功能稳定。这项研究为深入理解细菌如何利用磷酸化动态修饰调节蛋白质稳态提供了新思路,且为未来抗菌治疗的药物开发奠定了理论基础。
2025-01-20
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