キナーゼGSK-3βにおけるリン酸化プライミングと足場の構造的および機能的効果

SCIENCE SIGNALING
3 Sep 2024 Vol 17, Issue 852
[DOI: 10.1126/scisignal.ado0881]

Michael D. Enos^{1, 2, †, ‡}, Maire Gavagan^{3, †, §}, Noel Jameson³, Jesse G. Zalatan^{3, *}, William I. Weis^{1, 2, ¶}

1. ¹ Department of Structural Biology, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA 94035, USA.
2. ² Department of Molecular and Cellular Physiology, Stanford University School of Medicine, Stanford, CA 94035, USA.
3. ³ Department of Chemistry, University of Washington, Seattle, WA 98195, USA.
4. ^* Corresponding author. Email: zalatan@uw.edu
5. ^† These authors contributed equally to this work.
6. ^‡ Present address: Department of Biophysics, University of Texas Southwestern Medical Center, Dallas, TX 75390, USA.
7. ^§ Present address: Division of Biology and Biological Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA.
8. ^¶ Deceased.

Editor's summary

キナーゼGSK-3βは、さまざまな神経変性疾患の潜在的な治療標的である。上流キナーゼによるWntシグナル伝達成分β-カテニンのリン酸化（リン酸化プライミング）後、β-カテニンはGSK-3βによってリン酸化され、分解の標的となる。Enosらは、リン酸化プライミングされた、またはリン酸化を模倣したβ-カテニンへ結合したGSK-3β、および足場であるAxinに結合したGSK-3βの構造を決定し、これらの相互作用による基質の配置が最適な触媒作用には不十分であることを示した。しかしながら、リン酸化プライミングされたβ-カテニンのリン酸化はリン酸化模倣ペプチドのリン酸化よりも迅速であり、触媒機能には天然基質のリン酸化プライミングが重要であることが強調された。—John F. Foley

要約

グリコーゲン合成酵素キナーゼ3β（GSK-3β）は、異なる上流シグナルに応答して特定のシグナル伝達経路を標的とする。われわれは構造的および機能的研究により、上流のリン酸化ステップがWntシグナル伝達成分β-カテニンのGSK-3βによるリン酸化をどのようにプライミングするのか、足場相互作用がこの反応にどのように寄与するかを解析した。リン酸化プライミングされたβ-カテニンペプチドに結合したGSK-3βの結晶構造により、触媒部位に隣接するリン酸化プライミングされた残基の予想通りの結合様式が確認された。β-カテニンのプライミング部位にあるリン酸化模倣アスパラギン酸置換体は、構造としては区別がつかないが、天然のリン酸化プライミングされた基質よりも反応速度が約1000倍低下した。この結果は、基質の配置だけでは触媒には不十分であり、天然のリン酸化プライミング相互作用が必要であることを示唆している。また、われわれは、以前に結晶化されたAxin断片よりも高い親和性で結合する足場タンパク質Axin由来の拡張ペプチドと結合したGSK-3βの構造も取得した。この構造からは、より高い親和性を生み出す追加の接触部位は明らかにならず、GSK-3β活性部位における基質相互作用が遠隔のAxin結合によってどのように調節されるかも説明できなかった。合わせると、われわれの研究結果はリン酸化プライミングと足場は、結晶構造では捉えられていない小さな立体構造変化またはアロステリック効果を生み出し、それがGSK-3βを活性化し、β-カテニンのリン酸化を促進することを示唆している。これらの結果は、構造から触媒活性を予測するわれわれの能力の限界を浮き彫りにし、キナーゼ調節およびリン酸化部位の進化における天然のリン酸化模倣変異の役割に潜在的な示唆を持つ。