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美国国家科学院院刊。1998年8月18日;95(17): 9849–9854.
数字对象标识:10.1073/pnas.95.17.9849
预防性维修识别码:下午21425
PMID:9707564

肌醇磷脂依赖性蛋白激酶对cAMP依赖性蛋白酶的磷酸化和活化

摘要

虽然在cAMP依赖性蛋白激酶(PKA)催化亚单位的激活环中磷酸化Thr-197是其正常生物功能的一个必要步骤,但负责此反应的激酶体内仍然难以捉摸。使用非磷酸化重组催化亚基作为底物,我们已经表明在293细胞中表达的磷酸肌醇依赖性蛋白激酶PDK1磷酸化并激活PKA的催化亚基。PDK1对PKA的磷酸化很快,并且对PKI(一种高度特异的热稳定蛋白激酶抑制剂)不敏感。Thr-197被Asp取代的催化亚单位的突变形式不是PDK1的底物。此外,通过使用识别Thr-197磷酸化酶而非非磷酸化酶或Thr197Asp突变的抗体,可以对催化亚单位的磷酸化进行免疫化学监测。因此,PDK1或其同源物之一可能是体内磷酸化Thr-197的PKA激酶。这一发现为我们思考这种普遍存在的蛋白激酶及其在细胞中的调节开辟了一个新的维度。

蛋白质磷酸化是真核细胞中细胞调节和信号转导的最重要过程之一。据预测,负责催化这种反应的酶,即蛋白激酶,占人类基因组编码的所有蛋白质的1%以上;哺乳动物细胞中大约每三种蛋白质中就有一种被磷酸化(1). 此外,正在发现有助于激酶复合物定位和组装的大家族蛋白质(4). 除了磷酸化其他蛋白质外,许多蛋白激酶本身也是磷酸化蛋白质,其生物功能和活性经常受到磷酸化的调节。蛋白激酶核心最活跃的区域之一,激活环,通常包含一个或多个关键的磷酸化位点。在没有磷酸化的情况下,这个环要么是无序的,要么是不适合催化的构象(56). 许多蛋白激酶的活性受该激活环的磷酸化状态调节。例如,细胞周期依赖性蛋白激酶2的激活是通过在激活环中的Thr-161处添加一个磷酸盐来介导的。一旦发生磷酸化,阴离子部分由一组碱性残基定位,从而使活性位点裂口处的相互作用网络处于催化状态(7). 在有丝分裂原活化蛋白激酶的情况下,有丝分裂素活化蛋白激酶在活化环中的Thr-183和Tyr-185处的磷酸化作用是一个开关,不仅将平衡转移到核心的活性构象,还导致额外的构象变化,从而产生新的二聚体界面(8).

与细胞周期依赖性蛋白激酶2和促分裂原活化蛋白激酶不同,cAMP依赖性蛋白激酶(PKA)的催化(C)亚基通常被组装为具有完全磷酸化激活环的活性酶(9,10). PKA催化亚单位的调节通常是通过与抑制性调节亚单位的相互作用来实现的,抑制性调节子单位在生理条件下将C亚单位隔离在非活性状态。然后通过生成与调控亚单位结合的cAMP来实现激活,从而降低其与C亚单位的亲和力并导致复合物的激活(11,12). 尽管目前尚不清楚是否存在体内调控机制涉及催化亚单位激活环中Thr-197的磷酸化/去磷酸化,Thr-197的磷酸化是PKA成熟和最佳生物活性的必要步骤(13,14). 如果C亚单位的正常处理受损,例如在激酶阴性的S49小鼠淋巴瘤细胞中,催化亚单位以不溶性、非磷酸化和非活性的形式积聚(15). 当催化亚单位在大肠杆菌,该酶能够在激活环中自动磷酸化Thr-197(1618). 最近的一份报告使用上述S49小鼠淋巴瘤细胞的激酶阴性突变体证明存在一种能够磷酸化并激活催化亚单位的异源蛋白激酶在体外(19). 这种异源蛋白激酶的阳性特性尚待揭示。

最近发现的磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶PDK1或其同源物之一是该异源PKA激酶(PKAK)的良好候选物,原因有二(2023). 识别并磷酸化蛋白激酶B(PKB)的激活环(20,23)和p70核糖体蛋白S6激酶(p706000平方公里) (22)其在该区域的序列与PKA的催化亚单位非常相似。此外,PDK1通过其丛蛋白同源结构域定位于膜,在磷酸化和组装成全酶之前,细胞膜可能是非磷酸化、肉豆蔻酰化催化亚基所在的位置(15). 我们在此证明PKA的催化亚基也是PDK1的优良底物。

材料和方法

质粒和试剂。

野生型小鼠C亚单位和多组氨酸标记的野生型或突变型T197D催化亚单位(H6-C) 分别亚克隆到表达载体pLWS-3和pET15b中(24,25). 含有Myc标记的PDK1的质粒pCMV5和Myc-PDK1-KD(PDK1的催化失活或激酶死亡突变体)与先前报道的相同(22). 如前所述表达并纯化PKI(26). 专门识别蛋白激酶C(PKC)磷酸化激活环的抗体是a.Newton(加州大学圣地亚哥分校)赠送的(27). PKA催化亚单位的抗体如下所述(18). 利用PDK1的C端20个氨基酸合成肽产生PDK1特异性抗体。纯化后的肽在免疫前以锁孔帽贝血蓝蛋白(KLH;Pierce)为载体交联。通过琼脂糖亲和层析纯化PDK1抗体,并固定相应肽。兔和小鼠抗myc抗体购自Babco(加利福尼亚州里士满)。辣根过氧化物酶结合抗兔IgG(驴)和ECL Western印迹检测试剂盒来自Amersham。

磷酸化和非磷酸化野生型和突变体H的表达与纯化6-C、。

野生型和突变型T197D重组H6-C从pET15b载体中表达大肠杆菌BL21(DE3)。当表达培养物的光密度(600 nm)达到0.3–0.4时,温度从37°C移动到24°C。通过添加0.2 mM异丙基β诱导蛋白表达-d日-当光密度达到0.6–0.8时,硫代半乳糖苷。在24°C下诱导5-6小时后,收集细胞。用泰龙金属亲和树脂(CLONTECH)纯化组氨酸标记蛋白。简言之,将从500ml培养物中收获的细胞重悬于20ml裂解缓冲液(50mM磷酸钠/100mM NaCl/5mM 2-巯基乙醇,pH 8.0)中。然后将该悬浮液在1000–1500 psi的压力下通过法国压力(美国仪器公司,Silver Spring,MD)试管,并以15000 rpm的速度离心(4°C)45分钟以澄清裂解液。将上清液分批与2.0 ml泰龙(CLONTECH)金属树脂悬浮液结合2小时。将树脂倒入小柱中,然后用50 ml裂解缓冲液清洗,然后用10 ml 10 mM咪唑在裂解缓冲液中清洗。用100 mM咪唑在裂解缓冲液中洗脱蛋白质,并对缓冲液B(50 mM Tris●HCl,pH 7.5/10 mM NaCl/1 mM DTT/10%甘油/1 mM苯甲脒/0.2 mM苯甲基磺酰氟)进行广泛透析。为了获得未磷酸化的催化亚单位,40μMN个-[2-(第页-据报道,在诱导时向细菌培养物中添加了一种有效的PKA抑制剂,即溴氰胺乙基]-5-异喹啉磺酰胺(H89,来自加利福尼亚州圣地亚哥Alexis)(19).

293细胞中Myc-PDK1和Myc-PDK1-KD的表达。

人293细胞以2×10的速度增殖6DMEM中每10厘米培养皿加10%胎牛血清。用磷酸钙法每次转染时使用编码PDK1或PDK1-KD质粒的DNA(25μg)(28). 转染后两天,将细胞胰蛋白酶化并重新悬浮在缓冲液A中(50 mM Tris●Cl,pH 7.5/50 mM NaCl/10 mM NaF/10 mCβ-磷酸甘油/10 mM-焦磷酸钠/0.5 mM EGTA/1 mM DTT/1 mM苯甲脒/0.5mM苯甲基磺酰氟/0.1%Triton X-100/10μg/ml抑肽酶),如前所述(22). 然后对细胞进行三轮冷冻-解冻循环,然后以50000 rpm离心30分钟,以收集含有过表达蛋白质的上清液(S100)。

免疫沉淀和激酶分析。

所有实验均使用相当于10厘米培养皿1%的细胞提取物。在免疫沉淀实验中,将2μl小鼠抗myc抗体(Babco,Richmond,CA)与细胞提取物混合在25μl缓冲液A中,在冰上放置2小时。然后将免疫复合物转移到10μl(床体积)的蛋白G珠(Sigma)中,再悬浮在25μl缓冲液A中,并在旋转轮上混合1小时。然后在室温下洗涤免疫沉淀五次:两次用缓冲液A洗涤,两次用缓冲器A加0.5 M NaCl洗涤,一次用缓冲器B洗涤。对于激酶分析,0.25μg(H89)-C与25μM ATP,5μCi[γ-32P] ATP和10 mM氯化镁2在25μl缓冲液B中,与固定化PDK1在30°C下孵育45分钟,并频繁轻轻混合。对于PKA活性测定,然后通过离心将上述反应混合物与PDK1珠分离,并转移到含有1μg组蛋白1(H1)的新管中。在室温下培养10分钟。通过在SDS样品缓冲液中煮沸停止所有反应。然后在10%或12.5%SDS/PAGE或10%NuPAGE凝胶(圣地亚哥NOVEX)上分离蛋白质样品。磷酸化反应通过放射自显影或Western blot分析,使用特异性识别磷酸化Thr-197的抗体进行分析。

结果

PDK1催化PKA亚基的磷酸化。

为了确定PKA的催化亚基是否是PDK1的底物,有必要生成一种可用于磷酸化分析的非磷酸化形式的催化亚单位。因为纯化的哺乳动物催化亚基以及在大肠杆菌已经在Thr-197被完全磷酸化,并且对磷酸酶的去磷酸化非常抵抗在体外(10,29),两者都不能用作基板。为了防止重组催化亚单位的自磷酸化,在大肠杆菌在PKA的高度特异性抑制剂H89存在下,生成未磷酸化的催化亚单位,如Cauthron所述,命名为(H89)-C,等。(19). 表达、纯化组氨酸标记和非标记蛋白,然后用作PDK1磷酸化分析的底物。

Myc-tagged PDK1和PDK1的催化失活突变体Myc-PDK1-KD均在293细胞中独立表达,其中必需的Lys-61被Gln取代。用Myc抗体免疫沉淀表达活性Myc-PDK1的细胞提取物。当这种免疫沉淀物与纯化的H孵育时6-(H89)-C在MgATP存在下,观察到C亚基的线性和时间依赖性磷酸化(图。(图1)。1). 为了确定这种磷酸化是否是由过度表达的PDK1引起的,将来自过度表达PDK1激酶死亡形式的细胞的Myc-PDK1-KD抗体免疫沉淀物与催化亚单位孵育。在这些条件下,几乎没有观察到磷酸化(图。(图2,2,车道2)。在这些条件下,PDK1对应的带没有磷酸化,这表明PDK1磷酸化的基础水平,如使用活性PDK1免疫沉淀的通道1所观察到的,是由于PDK1的自磷酸化。用激酶死亡突变体观察到的低水平催化亚单位磷酸化与使用非转染293细胞的免疫沉淀时观察到的结果相当(图。(图2,2,车道3)。由于293细胞中没有Myc-tagged PDK1或PDK1-KD的表达,(H89)-C的低基础磷酸化水平是由自身磷酸化引起的。H的磷酸化6-PDK1的(H89)-C不受PKI的抑制,也依赖于Mg2+(图。(图2,2,车道4和5)。使用部分纯化的非标记(H89)-C进行的实验得出了与H相同的结果6-(H89)-C(数据未显示)。

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用固定化Myc-PDK1磷酸化PKA催化亚基的时间过程。免疫沉淀激酶分析如材料和方法通过添加20 mM EDTA停止反应,并通过SDS/PAGE对样品进行分析。这个32通过放射自显影术观察P标记蛋白。磷酸化通过磷酸成像定量。单位是任意的。

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PDK1在不同条件下对PKA催化亚基的磷酸化。热稳定蛋白激酶抑制剂PKI的浓度为0.3μM。根据Western blot分析,Myc-PDK1和Myc-PDK1-KD的用量相等。PDK1和C亚基迁移的位置用箭头表示。

用抗PDK1抗体耗尽Myc-PDK1可按比例减少PKA磷酸化。

为了进一步确认PDK1和PKA激酶活性的相关性,使用PDK1抗体进行免疫耗竭试验。这些抗体应该识别任何内源性PDK1以及过表达的Myc-PDK1。当用抗Myc抗体免疫沉淀表达的Myc-PDK1时,如预期的那样观察到PKAK活性(图。(图3,,中间车道)。当表达PDK1的293提取物用血凝素表位的非特异性抗体免疫沉淀时,只观察到低水平的基础自磷酸化活性(图。(图3,,车道1和2)。相反,当Myc-PDK1转染的293细胞提取物在免疫沉淀前与PDK1抗体预孵育时,通过表达的Myc-PDK1观察到的PKA磷酸化显著降低(图。(图3A类). PKA磷酸化水平与PDK1抗体处理后细胞提取物中Myc-PDK1的含量相关,酶的耗竭导致活性成比例下降(图。(图3 B类C). 该观察在PKA磷酸化活性水平和Myc-PDK1数量之间建立了定性相关性,并进一步证实PDK1直接参与PKA磷酸化合。

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通过使用PDK1抗体耗尽Myc-PDK1,可以阻止Myc-PDK1介导的(H89)-C磷酸化。将用Myc-PDK1转染的293细胞的S100级分稀释5倍或20倍,然后如在材料和方法.在添加蛋白G珠后,通过离心去除交叉反应蛋白。(A类)放射自显影术显示,无论是否与PDK1抗体预孵育,Myc-PDK1都能磷酸化H89-C。(B类)Western blot显示细胞提取物中残留的Myc-PDK1数量,包括PDK1抗体预培养和未预培养。(C)免疫印迹显示经抗PDK1预处理后Myc-PDK1的下降量。

PDK1在激活回路中的Thr-197磷酸化PKA。

从动物组织中纯化的PKA催化亚单位在两个位点磷酸化,即Thr-197和Ser-338(9,10). 发现另外两个残基Ser-10和Ser-139被磷酸化在体外在重组催化亚单位中(1618). 在所有这些磷酸化位点中,只有Thr-197的磷酸化对生物活性是必要的和充分的(13,14). 为了验证磷酸化位点,将组氨酸标记的催化亚单位中的Thr-197改为Asp(14). Thr-197突变消除了PDK1对催化亚基的磷酸化,这表明Thr-1967是PDK1磷酸化的特定位点(图。(图44A类). 为了进一步证实Thr-197是PDK1磷酸化的位点,使用了只识别Thr-197-磷酸化C亚单位的抗体。虽然这些抗体最初是针对PKC磷酸化激活环产生的(27)当PKA在Thr-197上磷酸化时,它们也识别PKA催化亚单位的激活环。如图所示。图44B类,这些抗体与野生型C亚单位交叉反应良好,该亚单位在Thr-197和其他位点完全磷酸化,但与H无反应6-(H89)-C,其任何位点均未磷酸化。抗体也不会与突变T197D发生交叉反应(图。(图44B类). 这些抗体还可以通过使用293个过度表达Myc-PDK1的细胞提取物来监测Thr-197随时间的特异性磷酸化(图。(图5)。5). H的磷酸化6-PDK1在Thr-197处的(H89)-C是快速的,并在≈10分钟内达到最大值。相反,当使用未转染293细胞的提取物时,几乎没有观察到磷酸化(数据未显示)。

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在Thr-197通过PDK1使(H89)-C磷酸化。(A类)PDK1对野生型C、H89-C和突变型T197D的磷酸化作用。通过SDS/PAGE和放射自显影术分析磷酸化。(B类)使用磷酸化PKC激活环特异性抗体进行蛋白质印迹分析。(C)使用抗C亚单位抗体进行免疫印迹,以显示等量的野生型C、(H89)-C和T197DA类B类.

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PDK1对(H89)-C的磷酸化作用随时间的变化。H89-C(0.37μg)与表达Myc-PDK1(7.5μl)的293个细胞的总细胞提取物在200μM MgATP存在下在室温下孵育。反应混合物的总体积为60μl。在不同的时间间隔,提取5μl,与5μl 2X SDS样品缓冲液混合,并在100°C下加热2 min以停止反应。PDK1对Thr-197的磷酸化作用是通过使用PKC抗体通过Western blot检测的,PKC抗体也对Thr-1967磷酸化的C亚单位具有特异性。使用未转染的293细胞提取物进行的对照实验显示,(H89)-C的磷酸化可以忽略不计(数据未显示)。磷酸化单元是任意的。

PDK1磷酸化激活PKA。

测试PDK1磷酸化对H活性的影响6-(H89)-C,即已知PKA底物H1的磷酸化,用于测定H的活性6-(H89)-C在与PDK1孵育之前和之后。如图所示。图6,6一旦被PDK1磷酸化,(H89)-C表现出显著的活化,H1磷酸化的增加证明了这一点。与其不能磷酸化H一致6-(H89)-C、Myc-PDK1-KD对(H89。这些数据表明H的磷酸化6-PDK1的(H89)-C导致PKA活化。H的基础H1磷酸化活性6-如果蛋白质仅与MgATP预孵育,(H89)-C没有显著增加(图。(图6,6,通道5),表明H磷酸化的基础活性6-(H89)-C不是由自磷酸化激活引起的。早期研究表明,未磷酸化的C亚单位具有k值与野生型酶的值相当,而K(K)两种底物的值都显著提高(13,14). 因此,看到H并不奇怪6-在所使用的实验条件下,(H89)-C具有相当数量的基础H1磷酸化活性。

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PDK1激活PKA。如图所示,独立转染Myc-PDK1和Myc-PDK1-KD的293细胞(2.5μl)的S100部分以及未转染293细胞通过Myc抗体和蛋白G-Sepharose进行免疫沉淀。图1。1然后将免疫沉淀物与组氨酸标记的(H89)-C(0.125μg)在[γ]存在下混合-32P] ATP。在室温下培养30分钟后,通过离心去除蛋白G珠,并添加H1(1μG)。将反应混合物在室温下进一步培养10分钟。通过SDS/PAGE解析磷酸化H1,并通过放射自显影术进行可视化。H1的磷酸化通过磷酸成像定量。单位是任意的。

讨论

尽管许多蛋白激酶的激活是由异源蛋白激酶在激活环上关键位点的磷酸化介导的(4)到目前为止,对于PKA催化亚单位中该位点的磷酸化,无论是从介导该磷酸化的特定激酶还是从该过程在细胞中的整体位置和调控方面,都知之甚少。这里描述的结果证明PDK1可以作为PKA激酶(PKAK),为我们思考催化亚基是如何组装和调节的开辟了新的维度。

使用在特定PKA抑制剂H89存在下表达的重组催化亚单位来防止自身磷酸化,此处显示在293细胞中表达的PDK1是PKAK。激酶活性依赖于表达的酶,通过使用过度表达PDK1的细胞提取物或293细胞PDK1免疫沉淀观察到。与PDK1快速磷酸化相比,在这些条件下催化亚基的自磷酸化较慢。PKA的高度特异性抑制剂PKI对PDK1介导的催化亚基磷酸化也没有显著影响。PDK1对催化亚基的磷酸化也导致其以组蛋白为底物的催化活性增加。采用两种策略证明PDK1的磷酸化位点为Thr-197。Thr-197被Asp取代的催化亚单位的突变形式不是PDK1的底物。此外,可以使用仅能识别Thr-197上磷酸化的催化亚单位的抗体来监测时间依赖性磷酸化。因此,Thr-197是被PDK1识别的位点。

到目前为止,所有已知的PDK1底物都属于Ser/Thr蛋白激酶的AGC亚家族,并且在Thr磷酸化位点两侧的区域具有高度的序列相似性。与许多蛋白激酶共有位点不同,对PDK1识别重要的氨基酸似乎是P位点的局部羧基末端;在P位点的氨基末端区域没有观察到明显的序列相似性。基于PKA、PKB、PKC和p70的序列比较6000平方公里(图。(图7),7),PDK1的一个初步共识磷酸化基序是T*CGT*(E/D)Y*APE,它对应于P到P+11区域。*对应于疏水残基。该序列识别基序可能反映了激酶激活蛋白激酶(如PDK1)的独特底物识别机制。

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PKA、PKB、PKC和p70激活环区域的序列比对6000平方公里强调了磷酸化对PKA活性很重要的特定Thr残基,并以斜体突出了相同的氨基酸残基。共识站点显示在底部。*对应于疏水残基。

虽然尚不清楚PDK1是否负责体内催化亚单位的磷酸化,很可能PDK1或其同源物之一是体内巴基斯坦。这里描述的PDK1的PKA磷酸化特性与Cauthron的最新结果非常一致等。(19)其证明了来自S49小鼠淋巴瘤细胞的突变形式的部分纯化的PKAK活性。如果PDK1是体内激酶并具有广泛的特异性在体外如本文和早期PKB研究所示(20,21)和S6激酶(22,23),那么确定是否通过向特定子网站招募PDK1来部分实现特异性将极为重要。对PDK1来说,结肠化可能特别重要,不仅因为它的丛蛋白同源结构域,而且因为它似乎具有高水平的组成活性(20,21). 我们尚未测试磷脂对PDK1 PKAK活性的影响,但这显然对体内PDK1的功能。

蛋白激酶AGC家族,尤其是PKA和PKC,在哺乳动物细胞中普遍存在。它们调节着无数对细胞生长、发育、死亡和体内平衡至关重要的过程。与许多蛋白激酶相比,如有丝分裂原活化蛋白激酶和细胞周期依赖性蛋白激酶2,它们的激活环发生动态的磷酸化依赖性变化(58,10,13)在纯化的哺乳动物酶中,PKA和PKC等酶的活化环磷酸化位点相对稳定(10,30). 迄今为止,所有的PKA结构都是成熟的磷酸化酶,在所有这些结构中,激活环都非常稳定。PKAK的发现为我们对这种普遍存在的酶的思考开辟了几个新的维度。除了解决PDK1在PKA活化和磷酸化中的生理作用外,表征去磷酸化催化亚基的结构以确定活化环和羧基末端末端是否经历了显著的构象重组也同样重要。结合最近关于新的IκB:NFκB复合体中催化亚单位参与的报道,在该复合体中激活由推测的cAMP依赖过程介导(31),严格重新审视我们对PKA的思考非常重要。几十年来一直占主导地位的静态全酶复合物对cAMP的反应被激活的传统观点可能过于简单化。

致谢

我们感谢A.Newton和J.Johnson(加州大学圣地亚哥分校)提供了针对活化环上Thr-500磷酸化的PKC形式的抗体,R.Steinberg(俄克拉荷马大学)提供了关于制造非磷酸化C亚单位的建议,以及E.Knudson和E。韦伯在免疫沉淀磷酸化分析中提供帮助。我们还要感谢罗恩·艾姆斯和泰勒实验室的其他成员进行了有益的讨论并提出了建议。X.C.由美国癌症协会奖学金(PF-4315)资助。这项工作得到了美国癌症协会对S.S.T(RPG-83-001)的资助。

缩写

PDK1系列磷脂酰肌醇依赖性蛋白激酶
PKA公司cAMP依赖性蛋白激酶
巴基斯坦中央银行蛋白激酶B
PKC公司蛋白激酶C
C催化的
上半年组蛋白1
PDK1-KD系列PDK1激酶死亡突变体
PKAK公司PKA激酶

工具书类

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