由 PP1-Neurabin 介導的 PDZ 定向受質募集是特定 4E-BP1 去磷酸化的主要決定因素

Concepts de base

與 Phactr1/PP1 全酶不同，Neurabin/PP1 全酶的受質特異性主要由與 Neurabin PDZ 結合域的交互作用決定，而不是由去磷酸化位點本身的初級序列決定。

Résumé

書目資訊

Fedoryshchak 等人。 PDZ 定向受質募集是 PP1-Neurabin 進行特定 4E-BP1 去磷酸化的主要決定因素。

研究目標

本研究旨在探討 RVxF-ΦΦ-R-W 蛋白質磷酸酶 1 (PP1) 相互作用蛋白 (PIP) 家族中受質特異性的決定因素，重點關注 Neurabin 和 Spinophilin，它們也包含一個先前被認為參與受質募集的 PDZ 結合域。

方法

• 建立 PP1-PIP 融合蛋白，並在細胞中表達以進行基於質譜的磷酸化蛋白質組學分析。
• 使用基於細胞的分析和體外去磷酸化測定來驗證候選受質。
• 使用螢光偏振測定來量化 PDZ 結合域與其配體之間的交互作用。
• 使用 X 射線晶體學和 AlphaFold 建模來分析 PP1-Neurabin 與其受質 4E-BP1 之間的交互作用。

主要發現

• 四種 PP1-Phactr 融合蛋白都表現出幾乎相同的受質特異性，這與真正的 Phactr1/PP1 全酶基本相似。
• PP1-Neurabin 和 PP1-Spinophilin 融合蛋白的表達導致翻譯抑制蛋白 4E-BP1 和 4E-BP2 上多個磷酸化位點的顯著減少。
• PP1-Neurabin 對 4E-BP1 的去磷酸化需要其 C 端序列，這些序列構成一個 PDZ 結合基序 (PBM)。
• PP1-Neurabin 融合蛋白的受質特異性和催化效率主要由與 PDZ 結合域的交互作用決定，而不是由 PP1 疏水性受質凹槽的重塑決定。
• 結構分析表明，4E-BP1 的 PBM 與 Neurabin PDZ 結合域對接，而 4E-BP1 的磷酸化 T70 位點與 PP1 活性位點對接。

主要結論

與 Phactr1/PP1 全酶不同，Neurabin/PP1 全酶的受質特異性主要由與 Neurabin PDZ 結合域的交互作用決定，而不是由去磷酸化位點本身的初級序列決定。這些發現揭示了 RVxF-ΦΦ-R-W PIP 家族中不同的受質識別機制，並指出了 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶作為 mTORC1 途徑的潛在負調節劑。

意義

這項研究增進了我們對 PP1 全酶如何實現受質特異性的理解，並突出了 PIP 在調節 PP1 活性中的多樣化作用。此外，4E-BPs 作為 Neurabin/PP1 受質的鑑定表明，Neurabin 和 Spinophilin 在神經元可塑性和 mTORC1 信號傳導中發揮作用。

局限性和未來研究

該研究的局限性包括依賴於過度表達系統和有限數量的測試受質。未來的研究應探索內源性 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶的受質特異性，並闡明這些全酶在神經元功能中的生理作用。

Stats

PP1-Neurabin 對 4E-BP1WT 的催化效率比單獨使用 PP1 高約 100 倍。
與野生型蛋白質相比，mCherry-4E-BP1(118+A) 在體外去磷酸化需要高 20-50 倍的 PP1-Neurabin 濃度。
4E-BP1 PBM 與 PDZ 結合域的結合親和力在微摩爾範圍內。
與 p70 S6K 和 Kalirin-7 相比，4E-BP1 PBM 對 Neurabin 和 Spinophilin PDZ 結合域的結合親和力分別高 10-30 倍和 >100 倍。

Citations

"與 Phactr1/PP1 全酶不同，Neurabin/PP1 全酶的受質特異性主要由與 Neurabin PDZ 結合域的交互作用決定，而不是由去磷酸化位點本身的初級序列決定。"
"我們的發現表明，Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶是 mTORC1 途徑的新候選調節劑。"
"我們的觀察結果支持這樣一種觀點，即 Neurabin/PP1 受質特異性的主要決定因素是與 PDZ 結合域的交互作用。"

Idées clés tirées de

PDZ-directed substrate recruitment is the primary determinant of specific 4E-BP1 dephosphorylation by PP1-Neurabin

by Fedoryshchak... à www.biorxiv.org 09-23-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.23.614477v1

Questions plus approfondies

除了調節蛋白質合成外，Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶在神經元中還有哪些其他功能？

除了調節蛋白質合成外，Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶在神經元中還具有多種功能，這些功能主要與其在突觸可塑性中的作用有關：

調節神經遞質受體的活性: Neurabin 和 Spinophilin 可以通過其 PDZ 結合域與多種神經遞質受體結合，例如 AMPA 受體、NMDA 受體和多巴胺受體。通過招募 PP1 至這些受體附近，Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶可以調節受體的磷酸化狀態，進而影響受體的運輸、定位和功能。
調節細胞骨架動力學: Neurabin 和 Spinophilin 可以與肌動蛋白細胞骨架相互作用，並通過調節肌動蛋白的聚合和解聚來影響樹突棘的形態和功能。
參與突觸囊泡的運輸和釋放: Neurabin 和 Spinophilin 可以與突觸囊泡蛋白相互作用，例如 synaptotagmin 和 synapsin，並可能通過調節這些蛋白的磷酸化狀態來影響突觸囊泡的運輸、停泊和釋放。
參與學習和記憶的形成: Neurabin 和 Spinophilin 的基因敲除小鼠表現出學習和記憶缺陷，表明這些蛋白在突觸可塑性和認知功能中發揮重要作用。
總之，Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶通過調節多種下游效應子的磷酸化狀態，在神經元中發揮著多方面的功能，這些功能對於維持正常的突觸功能和可塑性至關重要。

其他類型的蛋白質磷酸酶是否也利用 PDZ 結合域或其他蛋白質交互作用域來實現受質特異性？

是的，除了 PP1 之外，其他類型的蛋白質磷酸酶也利用 PDZ 結合域或其他蛋白質交互作用域來實現受質特異性。

蛋白質磷酸酶 2A (PP2A): PP2A 是一種主要的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，它通過與不同的調節亞基結合形成具有不同底物特異性的全酶。一些 PP2A 調節亞基包含 PDZ 結合域，例如 B56 家族蛋白，它們可以通過 PDZ 結合域與特定底物相互作用。
蛋白質酪氨酸磷酸酶 (PTPs): PTPs 是一類催化酪氨酸殘基去磷酸化的酶。許多 PTPs 具有額外的蛋白質交互作用域，例如 SH2 域、SH3 域和 PDZ 結合域，這些域可以介導與特定底物的相互作用，從而賦予底物特異性。
雙特異性磷酸酶 (DUSPs): DUSPs 可以使絲氨酸/蘇氨酸和酪氨酸殘基去磷酸化。一些 DUSPs 也包含 PDZ 結合域，例如 MKP5，它可以通過其 PDZ 結合域與 MAPK 途徑中的特定激酶相互作用。
總之，利用 PDZ 結合域或其他蛋白質交互作用域來實現受質特異性是蛋白質磷酸酶家族中一種常見的調節機制。這些交互作用域可以幫助磷酸酶與其底物接近，並提高催化效率。

鑑於 mTORC1 信號傳導在癌症發展中的作用，靶向 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶可以作為癌症治療的潛在策略嗎？

鑑於 mTORC1 信號傳導在癌症發展中的關鍵作用，以及 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶作為 mTORC1 途徑負調控因子的潛力，靶向這些全酶的確可以作為癌症治療的潛在策略。
然而，需要考慮以下幾個方面：

特異性問題: Neurabin 和 Spinophilin 在神經元中高度表達，但在其他組織中也有分佈。因此，靶向這些全酶可能會產生脫靶效應，影響其他細胞過程。
藥物開發的挑戰: 開發針對特定蛋白質-蛋白質相互作用的藥物具有挑戰性，特別是像 PDZ 結合域介導的相互作用。
腫瘤異質性: 不同類型的癌症，甚至同一腫瘤內的不同細胞，其 mTORC1 信號傳導的依賴性可能不同。因此，靶向 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶的治療策略可能只對特定類型的癌症或特定患者亞群有效。
總之，靶向 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶作為癌症治療的策略具有潛力，但需要進一步的研究來評估其可行性和安全性。未来的研究方向包括：

開發高度特異性的 Neurabin/PP1 和 Spinophilin/PP1 全酶抑制劑。
確定哪些類型的癌症對抑制這些全酶最為敏感。
開發聯合治療策略，以提高療效並減少副作用。