フルクトサミン-3-キナーゼのレドックス活性スイッチはプロテインキナーゼスーパーファミリーの調節レパートリーを拡大する

Sci. Signal. 07 Jul 2020:
Vol. 13, Issue 639, eaax6313
DOI: 10.1126/scisignal.aax6313

Safal Shrestha¹, Samiksha Katiyar², Carlos E. Sanz-Rodriguez², Nolan R. Kemppinen², Hyun W. Kim², Renuka Kadirvelraj², Charalampos Panagos³, Neda Keyhaninejad⁴, Maxwell Colonna^2,3, Pradeep Chopra³, Dominic P. Byrne⁵, Geert J. Boons^3,6, Esther van der Knaap^4,7,8, Patrick A. Eyers⁵, Arthur S. Edison^1,2,3, Zachary A. Wood², and Natarajan Kannan^1,2,*

1. ¹ Institute of Bioinformatics, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
2. ² Department of Biochemistry and Molecular Biology, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
3. ³ Complex Carbohydrate Research Center (CCRC), University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
4. ⁴ Center for Applied Genetic Technologies (CAGT), University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
5. ⁵ Department of Biochemistry, Institute of Integrative Biology, University of Liverpool, Liverpool L69 7ZB, UK.
6. ⁶ Department of Chemical Biology and Drug Discovery, Utrecht Institute for Pharmaceutical Sciences, and Bijvoet Center for Biomolecular Research, Utrecht University, 3584 CG Utrecht, Netherlands.
7. ⁷ Department of Horticulture, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.
8. ⁸ Institute of Plant Breeding, Genetics and Genomics, University of Georgia, Athens, GA 30602, USA.

* Corresponding author. Email: nkannan@uga.edu

要約

レドックスホメオスタシスの変化による代謝キナーゼの調節異常は、加齢や糖尿病等の様々な疾患にかなり寄与する。われわれは、真核生物のプロテインキナーゼと進化的に関連している、保存されたフルクトサミン-3-キナーゼ（FN3K）のファミリーの触媒活性が、キナーゼドメインのレドックス感受性システイン残基によって調節されていることを発見した。シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）由来のFN3Kホモログの結晶構造は、ATP結合Pループと隣接するβ鎖が二量体の2つの鎖間で交換されているという予期しない鎖交換二量体を形成することを明らかにした。この二量体配置は、伸長したコンフォメーションにおいてPループを安定化させる歪んだ鎖間ジスルフィド結合によって特徴付けられる。変異解析と溶液研究により、歪んだジスルフィドがレドックス「スイッチ」として機能し、FN3Kの活性と二量体化を可逆的に制御することが確認された。同等のPループCysを有するヒトFN3Kもレドックス感受性であったが、PループCysを欠く祖先細菌FN3Kホモログはレドックス感受性ではなかった。さらに、CRISPRによるヒト肝がん細胞でのFN3Kのノックアウトは、グルタチオンの増加を含む、レドックス代謝産物量を変化させた。われわれは、レドックス調節が、変化する細胞のレドックス状況に応答してFN3Kホモログで進化したことを提案する。これらの知見は、プロテインキナーゼスーパーファミリーにおけるレドックス制御の起源と進化への洞察を提供し、糖尿病性合併症においてヒトFN3Kを標的とする新しい道を開くかもしれない。

Citation: S. Shrestha, S. Katiyar, C. E. Sanz-Rodriguez, N. R. Kemppinen, H. W. Kim, R. Kadirvelraj, C. Panagos, N. Keyhaninejad, M. Colonna, P. Chopra, D. P. Byrne, G. J. Boons, E. van der Knaap, P. A. Eyers, A. S. Edison, Z. A. Wood, N. Kannan, A redox-active switch in fructosamine-3-kinases expands the regulatory repertoire of the protein kinase superfamily. Sci. Signal. 13, eaax6313 (2020).