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蛋白磷酸化是一个关键的翻译后修饰调节各种细胞过程。在革兰氏阳性细菌中，蛋白精氨酸激酶McsB及其激活物McsA在应激过程中标记错误折叠和受损蛋白方面起着关键作用。然而，McsA对McsB的激活机制尚不清楚。2024年9月4日，中山大学毛宗万、夏炜、四川大学苏昭铭共同通讯在Nature Chemical Biology（IF=13）在线发表题为“Complex structure and activation mechanism of arginine kinase McsB by McsA”的研究论文，该研究报道了精氨酸激酶McsB的复合结构及McsA活化机制。在这里，研究人员报告了四聚体McsA-McsB配合物的冷冻电镜结构，分辨率为3.41 Å。生化分析表明，同四聚体组装对McsB的激酶活性至关重要。McsA的保守C端锌指与McsB中的延伸环相互作用，最佳定向关键的催化半胱氨酸残基。此外，McsA的结合降低了CtsR对McsB的亲和力，增强了McsB的激酶活性，加快了CtsR磷酸化的周转率。此外，McsA结合还增加了McsB的热稳定性，确保了其在热应力下的活性。这些发现阐明了McsB在应激反应中的结构基础和激活机制。蛋白质磷酸化是由激酶和磷酸酶介导的可逆的蛋白质翻译修饰过程。这一动态过程几乎在细胞生命的各个方面都起着至关重要的作用，如代谢、转录、分化和细胞间通讯。蛋白激酶催化ATP的γ-磷酸转移到蛋白质底物的氨基酸侧链，其活性受到多种机制的调节，包括磷酸化、附加亚基结合和蛋白-蛋白相互作用。McsB是细菌激酶的重要成员，具有磷酸化蛋白质底物上精氨酸残基的独特活性。McsB及其激活剂McsA、热休克转录调节因子CtsR和蛋白酶ClpC-ClpP构成了细菌蛋白质量控制(PQC)系统的核心。在压力条件下，错误折叠的蛋白质在细菌中积累并激活PQC系统。因此，McsB磷酸化CtsR DNA结合域内的精氨酸残基，从其同源启动子中释放转录抑制因子，从而诱导clpC操纵子上的基因表达，以及其他重要的PQC成分。此外，McsB 还通过用磷酸精氨酸 （pArg） 标记错误折叠的蛋白质来发挥“降解标记剂”的作用，这些蛋白质被蛋白水解复合物进一步降解。McsA结合或不结合的McsB激酶催化循环示意图（图源自Nature Chemical Biology）鉴于McsB激酶在决定底物蛋白命运中的重要作用，必须精确调节其活性以避免不希望的蛋白质降解。已经确定了McsB激酶活性的几种不同的调节机制。例如，来自嗜脂嗜热地杆菌的McsB的晶体结构揭示了一个独特的pArg结合结构域，该结构域以变构方式增强McsB激酶活性。另一项研究表明，枯草芽孢杆菌McsB在“开放”二聚体和“封闭”八聚体状态之间进行相互转化，以调节其激酶活性和底物选择性。值得注意的是，激酶激活剂McsA与McsB形成复合物，并显著增强McsB激酶活性，从而磷酸化CtsR6。尽管对McsA-McsB复合物的生化特性进行了广泛的研究，但McsA-McsB复合物的结构和McsA活化McsB的分子机制仍不清楚。该研究以3.41 Å分辨率报道了McsA-McsB复合物的结构。研究结果揭示了McsA和McsB之间的关键相互作用，由McsA中高度保守的C端锌指介导。这种相互作用稳定了McsB环的特定构象，有效地定位了一个关键的催化半胱氨酸残基，以获得最佳的酶活性。值得注意的是，McsA降低了McsB对蛋白质底物CtsR的结合亲和力，导致CtsR与McsA-McsB复合物相互作用时的周转率加快。因此，这种增强显著地增强了McsB激酶的活性。此外，McsB在与McsA结合后表现出显著的热稳定性，这确保了McsB即使在热胁迫条件下也能保持活性。总之，该研究为McsA-McsB相互作用及其激活机制提供了有价值的见解。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41589-024-01720-3
