Анатомия "позвоночника" протеинкиназы и как его сломать

Фосфорилирование серина, треонина и тирозина — ключевой механизм регуляции активности белков у эукариот. Эукариотические протеинкиназы, катализирующие эти реакции, критически важны для клеточных функций, а их аномальная активность связана с множеством заболеваний, включая рак, воспаление, инфекции, диабет, гипертензию и нейродегенерацию.

Эукариотические протеинкиназы — важные мишени для терапии. На их долю приходится четверть всех усилий в области разработки лекарств, что ставит их на второе место после рецепторов, сопряжённых с G-белком (GPCR). С 2001 года, когда для лечения хронического миелоидного лейкоза (ХМЛ) был одобрен ингибитор киназы bcr-abl Иматиниб (Гливек), FDA одобрило более трёх десятков ингибиторов киназ. Рациональный дизайн лекарств, нацеленных на специфические конформации киназ, играет в этом ключевую роль, что делает понимание структурных основ регуляции их активности крайне важным.

Для коллекции PLOS Biology XV была выбрана статья лаборатории Сьюзан Тейлор (Meharena et al., 2013), определяющая набор внутримолекулярных взаимодействий, которые отличают неактивные и активные конформационные состояния эукариотических протеинкиназ. Классификация осложнена тем, что, в отличие от многих ферментов, киназы не имеют единых дискретных активной и неактивной конформаций, а являются динамичными, с множеством конформаций в рамках двух функциональных состояний.

Каталитическое ядро эукариотических протеинкиназ состоит из консервативных N- и C-долей, с активным центром на их стыке. Ранее были идентифицированы три гидрофобных элемента: αF-спираль в C-доле и два кластера несмежных остатков в первичной последовательности, которые в трёхмерной структуре формируют два гидрофобных "позвоночника" (spines), соединяющих доли. Каталитический (C) позвоночник включает адениновое кольцо связанного ATP, которое соединяет гидрофобные остатки в N- и C-долях. Регуляторный (R) позвоночник, обычно состоящий из двух ароматических остатков в C-доле (RS1 и RS2) и двух алифатических остатков в N-доле (RS3 и RS4), проходит параллельно C-позвоночнику. В активном состоянии он выстроен в непрерывный гидрофобный участок, а в неактивном — разобран.

Meharena и коллеги проанализировали остатки R-позвоночника в последовательностях ~13 000 киназ и проверили гипотезы об их природе с помощью мутационного анализа на примере киназы PKA (cAMP-dependent protein kinase). Они обнаружили, что остатки RS1 и RS2 в C-доле были чрезвычайно чувствительны к мутациям, в отличие от относительно устойчивых остатков RS3 и RS4 в N-доле. Это привело к идентификации трёх высококонсервативных остатков, окружающих RS3 и RS4. Эти поддерживающие R-позвоночник в N-доле остатки были названы Shell-остатками (оболочки) Sh1, Sh2 и Sh3. Дополнительный мутационный анализ подтвердил гипотезу о том, что целостность R-позвоночника необходима для катализа. Данные также показали, что фосфорилирование активационной петли способствует активации, стабилизируя R-позвоночник.

Зная, что собранный R-позвоночник необходим для активного состояния, группа исследовала доступные структуры эукариотических протеинкиназ и нашла 172 структуры с разобранными R-позвоночниками. Они смогли классифицировать четыре конкретных способа "поломки" R-позвоночника. Два из них коррелировали с ранее охарактеризованными неактивными конформациями, связанными с позиционированием мотива DFG в активационной петле. Одна конформация предполагает ориентацию DFG-out, а другая — DFG-in, вызванную движением αC-спирали. Эти две неактивные конформации уже успешно используются как мишени для разработки лекарств.

Описание дополнительных неактивных конформаций открывает возможности для новых стратегий дизайна лекарств и создаёт более широкую основу для интерпретации, а в перспективе и модуляции молекулярных дефектов, вызванных мутациями протеинкиназ, связанными с заболеваниями человека.