Histidin kinas

proteinhistidinkinas
Kristallografisk struktur av ATP:protein-L-histidin N-fosfotransferas baserat på koordinaterna.
Identifierare
EG nr.	2.7.13.3
CAS-nr.	99283-67-7
Databaser
IntEnz	IntEnz-vy
BRENDA	BRENDA inträde
ExPASy	NiceZyme-vy
KEGG	KEGG inträde
MetaCyc	Metabolisk väg
PRIAM	profil
PDB- strukturer	RCSB PDB PDBe PDB summa
Genontologi	AmiGO / QuickGO
Sök PMC artiklar PubMed artiklar NCBI proteiner

Histidinkinaser ( HK ) är multifunktionella, och i icke-djurriken, typiskt transmembrana , proteiner av transferasklassen av enzymer som spelar en roll i signaltransduktion över cellmembranet. Den stora majoriteten av HK är homodimerer som uppvisar autokinas- , fosfotransfer- och fosfatasaktivitet. HK kan fungera som cellulära receptorer för signalmolekyler på ett sätt analogt med tyrosinkinasreceptorer ( RTK). Multifunktionella receptormolekyler som HK och RTK har vanligtvis delar på utsidan av cellen ( extracellulär domän) som binder till hormon- eller tillväxtfaktorliknande molekyler, delar som sträcker sig över cellmembranet ( transmembrandomän ) och delar inuti cellen ( intracellulär domän) som innehåller den enzymatiska aktiviteten. Förutom kinasaktivitet har de intracellulära domänerna typiskt regioner som binder till en sekundär effektormolekyl eller komplex av molekyler som vidare sprider signaltransduktion i cellen. Till skillnad från andra klasser av proteinkinaser är HK vanligtvis delar av en tvåkomponents signaltransduktionsmekanism där HK överför en fosfatgrupp från ATP till en histidinrest i kinaset och sedan till en aspartatrest på mottagardomänen av ett svar regulatorprotein (eller ibland på själva kinaset). På senare tid har den utbredda förekomsten av proteinhistidin-fosforylering som skiljer sig från den av tvåkomponent-histidinkinaser erkänts i mänskliga celler. I markant kontrast till Ser-, Thr- och Tyr-fosforylering är analysen av fosforylerad histidin med hjälp av standardmässiga biokemiska och masspektrometriska tillvägagångssätt mycket mer utmanande, och speciella förfaranden och separationstekniker krävs för deras bevarande tillsammans med klassisk Ser-, Thr- och Tyr-fosforylering på isolerade proteiner från mänskliga celler.

När det gäller enzymologi är ett histidinkinas ( EC 2.7.13.3 , EnvZ , histidinproteinkinas , proteinhistidinkinas , proteinkinas (histidin) , HK1 , HP165 , Sln1p ) ett enzym som katalyserar den kemiska reaktionen

ATP + protein L-histidin $\rightleftharpoons$ ADP + protein N-fosfo-L-histidin.

Således är de två substraten för detta enzym ATP och protein L- histidin , medan dess två produkter är ADP och protein N-fosfo-L-histidin.

Denna typ av enzym är involverad i signaltransduktionsvägar uppströms om många cellulära processer inklusive olika metaboliska, virulens- och homeostatiska vägar.

Mekanism

Föreslagen mekanism för histidinkinas, som visar fosforylering av tele -kvävet. Fosforylering av pros -kvävet sker genom den andra histidintautomeren. B = ospecificerad enzymatisk bas.

Mekanismen för reaktionerna som katalyseras av histidinkinas har inte klarlagts fullständigt, men nuvarande bevis tyder på att den katalytiska domänen av en dimer enhet kan rotera på ett sådant sätt att den ATP-bindande fickan i den enheten kan komma i kontakt med en viss histidinrest på den motsatta enheten och en nukleofil addition resulterar i en fosforylerad histidin.

Struktur och funktion

En HK är sammansatt av flera domäner som börjar med en kort N-terminal cytoplasmatisk del kopplad till en extracellulär avkänningsdomän via en transmembran α helix . En andra transmembran α-helix förbinder den extracellulära domänen med den C-terminala cytoplasmatiska katalytiska domänen. HK är kända för att tjäna roller i många olika signaltransduktionsvägar, så det är inte förvånande att den extracellulära avkänningsdomänen inte är särskilt välbevarad i HK-familjen. Däremot tenderar den cytoplasmatiska domänen att ha hög sekvenshomologi och innehåller flera välkända motiv . Dessa motiv inkluderar rutorna H, N, G1, F och G2. Autofosforylerings-H-boxen finns i den N-terminala dimeriserings- och histidinfosfoöverföringsdomänen (DHp). I HK853-CD, kristalliserad från Thermotoga maritima , är denna domän en spiralformad hårnål och bildas av resterna 232-317. Histidin-fosforyleringsstället är beläget vid His-260. N-, G1-, F- och G2-boxarna finns i den C-terminala katalytiska och ATP-bindande (CA) domänen. Denna domän bildas av resterna 323-489 och bildar en struktur känd som en a/p-sandwichveck. Det här speciella vecket har ett lager som består av ett 5-strängat β-ark och det andra lagret är gjort av tre a-helixar.

Den dimera enheten hålls samman av ett fyra-helixknippe, bildat när de C-terminala segmenten av α1-helixarna på varje subenhet interagerar på ett antiparallellt sätt med båda α2-helixarna. Stabiliteten hos dimeren underlättas av flera interaktioner vid gränsytan mellan DHps för varje monomer. Dessa inkluderar hydrofoba interaktioner mellan konserverade hydrofoba rester samt två vätebindningar (Thr-252 ^... Glu-316' och Arg-263 ^... Asn-307') och en saltbrygga (Lys-270 ^... Glu- 303'). Ytterligare interaktioner förmedlas via vätebindningar till vatten i en hålighet inuti den lindade spolen och flankerad av hydrofoba rester.

Enkel monomer. Röd rest är His-260, ligand (ADP och SO4 ₎ är gul, ATP-locket är magenta.

Struktur och miljö för HK853 ATP-bindningsficka. Viktiga rester är märkta och röda sfärer är vattenmolekyler.

Nukleotid / ATP- bindningsfickan finns inom CA-domänen och den strukturella likheten hos denna ficka är hög mellan de flesta HK:er . Kaviteten hos CheA, också kristalliserad från T. maritima, bildas först av β-ark P4 i den bakre delen och sidorna av håligheten bildas av de 4 motiv som nämnts tidigare, N-, G1-, F- och G2-rutorna. Majoriteten av resterna som kommer från β-arket är hydrofoba med Asp449 som undantag. Denna rest är invariant och bildar en vätebindning tillsammans med en vattenmolekyl till adeninamingruppen . Tre andra vattenmolekyler bildar direkta vätebindningar med adeninbasen. En Mg ²⁺ -jon bildar en brygga mellan alla tre fosfater och en invariant Asn-rest. Slutligen kompletterar ytterligare två vattenmolekyler oktaedrisk koordination med Mg ²⁺ och är kopplade till Arg-408 och His-405. När y-fosfatet hos ATP är destabiliserat , observeras Mg ^{2+ inte längre på grund av dess oförmåga att oktaedriskt koordinera.} Marina et al. hävdar att liknande koordination av Mg ²⁺ förekommer i HK853 men att den inte observeras på grund av användningen av ATP- analogen AMPPNP i kristallstrukturen. Under kristallisation hydrolyserades analogen till en produkt liknande ADP.

Den sista sidan av ATP-bindningsfickan heter bekvämt "ATP-locket". Stabiliteten för denna struktur förmedlas av närvaron av y-fosfatet och därmed Mg ²⁺ -jonen i bindningsstället. Även närvaron av nukleotidbasen har visat sig spela en betydande roll vid stabilisering av locket i en sluten konformation . ATP-locket är kopplat via hydrofoba rester till resten av proteinet. γ-fosfatet i ATP är något exponerat vilket möjliggör defosforylering . Vid ATP-bindning i denna ficka, antas det att en konformationsförändring sker som tillåter rotationen av CA-domänen att komma i kontakt med DHp av den andra monomeren och sålunda tillåter den konserverade His-260 att vila nära y-fosfatet. Nε för His-260 attackerar sedan y-fosfatet av ATP i en nukleofil addition och stöter bort ADP som sin lämnande grupp.

Roll vid svampinfektioner

Ett tvåkomponentsystem (TCS), som involverar histidinkinas och ett regulatorprotein med variabelt svar , kan vara avgörande för virulensen hos vissa svampstammar såsom Candida albicans , som ofta är ansvarig för att orsaka candidiasis hos personer med nedsatt immunförsvar . C. albicans med en deletion av CHK1, tvåkomponents histidinkinasgenen, visar defekter i morfogenesen och en drastisk minskning av cellens förmåga att motstå eliminering av humana neutrofiler . Eftersom människor saknar detta tvåkomponentsystem kan det vara ett bra mål för antimikrobiella medel för att behandla candidiasis .

Roll i bakterieinfektioner

I likhet med svamp, kan tvåkomponentsystem också hittas i flera ihållande bakterieinfektioner. Till exempel Staphylococcus aureus använda SrrAB TCS bestående av en sensor HKs (SrrB), som skulle överföra fosfatgrupp till en effektorresponsregulator (SrrA), vilket leder till modifiering av SrrA-aktivitet inklusive genreglering. Denna TCS har använts av S. aureus för att känna av förändringar i miljötillstånd och överföra signalen till ett lämpligt svarssystem, till exempel induceras ica -gener av SrrAB för att förmedla cellsammansättning och biofilmbildning för att överleva under anaerobt tillstånd.

Vidare läsning

•   Kowluru A (2002). "Identifiering och karakterisering av ett nytt proteinhistidinkinas i betacellen på öarna: bevis för dess reglering av mastoparan, en aktivator av G-proteiner och insulinsekretion". Biochem. Pharmacol . 63 (12): 2091–100. doi : 10.1016/S0006-2952(02)01025-0 . PMID 12110368 .
•    Yoshimi A, Tsuda M, Tanaka C (2004). "Kloning och karakterisering av histidinkinasgenen Dic1 från Cochliobolus heterostrohus som ger dikarboximidresistens och osmotisk anpassning". Mol. Genet. Genomik . 271 (2): 228–36. doi : 10.1007/s00438-003-0974-4 . PMID 14752661 . S2CID 26038953 .
•    Beier D, Frank R (2000). "Molekylär karakterisering av tvåkomponentsystem av Helicobacter pylori" . J. Bacteriol . 182 (8): 2068–76. doi : 10.1128/JB.182.8.2068-2076.2000 . PMC 111253 . PMID 10735847 .
•   Pflock M, Dietz P, Schar J, Beier D (2004). "Genetiska bevis för att histidinkinas HP165 är en syrasensor av Helicobacter pylori" . FEMS Microbiol. Lett . 234 (1): 51–61. doi : 10.1111/j.1574-6968.2004.tb09512.x . PMID 15109719 .
•   Roberts DL, Bennett DW, Forst SA (1994). "Identifiering av platsen för fosforylering på osmosensorn, EnvZ, av Escherichia coli" . J. Biol. Chem . 269 ​​(12): 8728–33. doi : 10.1016/S0021-9258(17)37029-1 . PMID 8132603 .
•    Alexandrine M. Bilwes; Lisa A. Alex; Brian R. Crane; Melvin I. Simon (1999). "Struktur av CheA, ett signaltransducerande histidinkinas" . Cell . 96 (1): 131–41. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80966-6 . PMID 9989504 . S2CID 16842653 .
•    Ryan L. Brunsing; Chandra La Clair; Sharon Tang; Christina Chiang; Lynn E. Hancock; Marta Perego; James A Hoch (2005). "Karakterisering av sporuleringshistidinkinaser av Bacillus anthracis" . J. Bacteriol . 187 (20): 6972–81. doi : 10.1128/JB.187.20.6972-6981.2005 . PMC 1251614 . PMID 16199567 .
•    Amr Eldakak; F. Marion Hulett (2007). "Cys303 i histidinkinas PhoR är avgörande för fosfoöverföringsreaktionen i PhoPR tvåkomponentssystemet i Bacillus subtilis" . J. Bacteriol . 189 (2): 410–21. doi : 10.1128/JB.01205-06 . PMC 1797398 . PMID 17085571 .
•   Hirschman A, Boukhvalova M, VanBruggen R, Wolfe AJ, Stewart RC (november 2001). "Aktiv platsmutationer i CheA, det signaltransducerande proteinkinaset i kemotaxisystemet i Escherichia coli". Biokemi . 40 (46): 13876–87. doi : 10.1021/bi0113622 . PMID 11705377 .