ARHGEF26

蛋白质的磷酸化/去磷酸化及其介导的蛋白复合物的组装/解离是细胞内信号转导的关键调控方式之一。磷酸化依赖的蛋白-蛋白相互作用通常是由磷酸化蛋白结合结构域介导。这些结构域包括14-3-3、FHA、MH2、 蛋白质的磷酸化/去磷酸化及其介导的蛋白复合物的组装/解离是细胞内信号转导的关键调控方式之一。磷酸化依赖的蛋白-蛋白相互作用通常是由磷酸化蛋白结合结构域介导。这些结构域包括14-3-3、FHA、MH2、WD40、BRCT、WW等，它们均能结合包含磷酸化丝氨酸/苏氨酸的特异性的多肽基序，介导高度特异的蛋白复合物的组装，在细胞动态行为中发挥重要作用。因此，发现新型磷酸化蛋白识别结构域并阐释其识别机制是细胞信号转导领域的基础科学问题。 2023年5月11日，上海交通大学Bio-X研究院朱金伟课题组在Science Advances杂志在线发表题为Phosphorylation-dependent recognition of diverse protein targets by the cryptic GK domain of MAGI MAGUKs的研究论文，发现MAGI家族蛋白的PDZ-GK超结构域是一种新型磷酸化蛋白识别模块，并阐释了其识别磷酸化蛋白的分子机制。 图1 MAGI2的PDZ0-GK超结构域识别磷酸化SAPAP多肽 MAGUK（Membrane-associated guanylate kinase）家族蛋白是一类定位于细胞膜附近的多结构域支架蛋白，在细胞粘附、细胞极性、细胞迁移、突触发育以及信号转导等方面都发挥重要作用。MAGI亚家族蛋白主要表达在大脑和肾小球足细胞，由PDZ、WW、GK等结构域构成（图1）。MAGIs参与神经突触发育和肾小球滤过屏障的组装，其功能失调与精神分裂症及肾病综合征密切相关。值得注意的是，在上述疾病患者中发现的基因突变大都定位于GK结构域，提示该结构域介导的信号通路在生理/病理过程中的关键作用。然而，GK结构域的结构和功能尚不清楚。 图2 基于PDZ0-GK识别磷酸化多肽的结构基础鉴定全新MAGI结合蛋白 本项工作发现，MAGI2的GK结构域与其相邻的PDZ0结构域存在相互作用，形成一个能够识别磷酸化蛋白的超结构域。与单独的GK结构域相比，PDZ0-GK超结构域结合磷酸化蛋白的结合解离强度（Kd）增强了50倍（图1）。课题组解析了PDZ0-GK与磷酸化SAPAP多肽的复合物三维结构，揭示了PDZ0-GK超结构域结合磷酸化蛋白的结构基础。基于生化和结构分析，课题组确定了PDZ0-GK识别磷酸化基序的一般规律：-R-Φ-x-S-Y-X-X-A-Ψ-（Φ: positively charged residues, small polar residues, or Ala; Ψ: hydrophobic residues or small polar residues; x: any residue; X: any residue except Pro）（图2）。进一步，课题组基于上述保守基序鉴定出全新的能够结合PDZ0-GK的蛋白质，包括Ephexin4、SGEF、ARHGAP21/23、LL5A等（图2）。 图3 磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用介导细胞迁移 该工作进一步解析了MAGI2-SGEF复合物和MAGI2-Ephexin4复合物的三维结构；揭示了PDZ0-GK识别磷酸化蛋白的普适性结构基础。课题组研究了MAGI2-SGEF复合物在细胞骨架动态调控和细胞运动中的全新功能。研究发现SGEF的下调明显减弱细胞骨架的组装，并导致细胞迁移速率下降；回补野生型SGEF能恢复细胞迁移能力，但回补SGEF突变体（S0A和delGBR突变体：两种突变体都破坏磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用）并不能显著恢复细胞迁移速率。上述结果提示，磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用在细胞骨架动态重组及细胞迁移过程中发挥作用。课题组进一步基于结构设计了抑制性多肽通过破坏内源性MAGI2-SGEF相互作用抑制细胞迁移（图3）。 综上，本项研究综合利用生物化学、结构生物学、细胞生物学、化学生物学等手段，发现MAGI家族蛋白的PDZ-GK超结构域是一种新型磷酸化蛋白识别模块，并阐释了其识别磷酸化蛋白的结构和功能机制。同时，基于结构分析定义了PDZ-GK超结构域识别磷酸化蛋白的基序特征并鉴定了全新的MAGI家族结合蛋白，为深层次理解GK结构域介导的信号通路奠定了基础。 上海交通大学Bio-X研究院博士后张猛、助理研究员林霖以及上海市第六人民医院肾内科曹爱丽副研究员为论文的共同第一作者。上海交通大学Bio-X研究院朱金伟研究员为论文的唯一通讯作者。本项工作受到南方科技大学生命科学学院讲席教授张明杰院士的大力支持。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、科技部2030重大项目等基金资助。

该研究综合利用生物化学、结构生物学、细胞生物学、化学生物学等手段，发现MAGI家族蛋白的PDZ-GK超结构域是一种新型磷酸化蛋白识别模块，并阐释了其识别磷酸化蛋白的结构和功能机制。 蛋白质的磷酸化/去磷酸化及其介导的蛋白复合物的组装/解离是细胞内信号转导的关键调控方式之一。磷酸化依赖的蛋白-蛋白相互作用通常是由磷酸化蛋白结合结构域介导。这些结构域包括14-3-3、FHA、MH2、WD40、BRCT、WW等，它们均能结合包含磷酸化丝氨酸/苏氨酸的特异性的多肽基序，介导高度特异的蛋白复合物的组装，在细胞动态行为中发挥重要作用。 因此，发现新型磷酸化蛋白识别结构域并阐释其识别机制是细胞信号转导领域的基础科学问题。 2023年5月11日，上海交通大学Bio-X研究院朱金伟课题组在 Science Advances 期刊在线发表了题为：Phosphorylation-dependent recognition of diverse protein targets by the cryptic GK domain of MAGI MAGUKs 的研究论文。 该研究发现，MAGI家族蛋白的PDZ-GK超结构域是一种新型磷酸化蛋白识别模块，并阐释了其识别磷酸化蛋白的分子机制。 MAGUK（Membrane-associated guanylate kinase）家族蛋白是一类定位于细胞膜附近的多结构域支架蛋白，在细胞粘附、细胞极性、细胞迁移、突触发育以及信号转导等方面都发挥重要作用。MAGI亚家族蛋白主要表达在大脑和肾小球足细胞，由PDZ、WW、GK等结构域构成（图1）。 MAGIs参与神经突触发育和肾小球滤过屏障的组装，其功能失调与精神分裂症及肾病综合征密切相关。值得注意的是，在上述疾病患者中发现的基因突变大都定位于GK结构域，提示该结构域介导的信号通路在生理/病理过程中的关键作用。然而，GK结构域的结构和功能尚不清楚。 该研究发现，MAGI2的GK结构域与其相邻的PDZ0结构域存在相互作用，形成一个能够识别磷酸化蛋白的超结构域。与单独的GK结构域相比，PDZ0-GK超结构域结合磷酸化蛋白的结合解离强度（Kd）增强了50倍（图1）。研究团队解析了PDZ0-GK与磷酸化SAPAP多肽的复合物三维结构，揭示了PDZ0-GK超结构域结合磷酸化蛋白的结构基础。 基于生化和结构分析，研究团队确定了PDZ0-GK识别磷酸化基序的一般规律：-R-Φ-x-S-Y-X-X-A-Ψ-（Φ: positively charged residues, small polar residues, or Ala; Ψ: hydrophobic residues or small polar residues; x: any residue; X: any residue except Pro）（图2）。进一步，研究团队基于上述保守基序鉴定出全新的能够结合PDZ0-GK的蛋白质，包括Ephexin4、SGEF、ARHGAP21/23、LL5A等（图2）。 图2. 基于PDZ0-GK识别磷酸化多肽的结构基础鉴定全新MAGI结合蛋白 该工作进一步解析了MAGI2-SGEF复合物和MAGI2-Ephexin4复合物的三维结构；揭示了PDZ0-GK识别磷酸化蛋白的普适性结构基础。研究团队研究了MAGI2-SGEF复合物在细胞骨架动态调控和细胞运动中的全新功能。研究发现SGEF的下调明显减弱细胞骨架的组装，并导致细胞迁移速率下降；回补野生型SGEF能恢复细胞迁移能力，但回补SGEF突变体（S0A和delGBR突变体：两种突变体都破坏磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用）并不能显著恢复细胞迁移速率。上述结果提示，磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用在细胞骨架动态重组及细胞迁移过程发挥作用。研究团队进一步基于结构设计了抑制性多肽通过破坏内源性MAGI2-SGEF相互作用抑制细胞迁移（图3）。 图3. 磷酸化依赖的MAGI2-SGEF相互作用介导细胞迁移 综上，该研究综合利用生物化学、结构生物学、细胞生物学、化学生物学等手段，发现MAGI家族蛋白的PDZ-GK超结构域是一种新型磷酸化蛋白识别模块，并阐释了其识别磷酸化蛋白的结构和功能机制。同时，基于结构分析定义了PDZ-GK超结构域识别磷酸化蛋白的基序特征并鉴定了全新的MAGI家族结合蛋白，为深层次理解GK结构域介导的信号通路奠定了基础。 上海交通大学Bio-X研究院博士后张猛、助理研究员林霖以及上海市第六人民医院肾内科曹爱丽副研究员为论文共同第一作者。上海交通大学Bio-X研究院朱金伟研究员为论文的通讯作者。该工作受到南方科技大学生命科学学院讲席教授张明杰院士的大力支持。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、科技部2030重大项目等基金资助。