GAF結(jié)構(gòu)域的分類、結(jié)構(gòu)及功能-生物化學(xué)論文-生物學(xué)論文

GAF結(jié)構(gòu)域的分類、結(jié)構(gòu)及功能-生物化學(xué)論文-生物學(xué)論文——文章均為WORD文檔，下載后可直接編輯使用亦可打印——

摘要：GAF結(jié)構(gòu)域廣泛存在于各種蛋白中,其主要通過(guò)結(jié)合環(huán)核苷酸cGMP、cAMP、生色團(tuán)和血基質(zhì)等小分子作為信號(hào)分子、光或者氣味受體,配合其他調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象和傳遞信號(hào)。本文簡(jiǎn)要綜述了GAF結(jié)構(gòu)域的基本特征、分類、結(jié)構(gòu)及功能,為闡明一些重要信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及抗逆性研究提供了一定的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：GAF結(jié)構(gòu)域;信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo);光敏色素;磷酸二酯酶;腺苷酸環(huán)化酶;

Abstract：TheGAFdomainpresentinginvariousproteinsareinvolvedinmaintainingproteinconformationstabilityandsignaltransduction.TheGAFdomainoftenreceivesandtransducessignalsthroughbindingtosmallsignalmoleculessuchascGMP,cAMP,chromophoreandheme,andfunctionsaslightorodorreceptorsincompanywithotherregulationdomains.Inthispaper,thebasiccharacteristics,classification,structureandfunctionsofGAFdomainsaresummairzed,whichprovidestheorybasisfortheresearchesofthesignaltransductionpathwayandstressresistance.

Keyword：GAFdomain;signaltransduction;phytochrome;phosphodiesterase;adenylatecyclase;

GAF結(jié)構(gòu)域是以最早被發(fā)現(xiàn)含有這個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)來(lái)命名的，由特異性的cGMP磷酸二酯酶(cGMP-bindingphosphodiesterases)、腺苷酸環(huán)化酶(adenylylcyclases,AC)和細(xì)菌轉(zhuǎn)錄因子FhlA(formatehydrogenlyasetranscriptionactivator)的首字母構(gòu)成。GAF結(jié)構(gòu)域極少單獨(dú)出現(xiàn)，通常作為蛋白質(zhì)的一部分參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程[1]。GAF結(jié)構(gòu)域與信號(hào)分子的結(jié)合通常是接收和傳導(dǎo)化學(xué)信號(hào)，與發(fā)色基團(tuán)的結(jié)合通常是接收物理信號(hào)(如光線)[2]。GAF結(jié)合的配體主要為環(huán)核苷酸cGMP和cAMP，此外反式甲硫氨酸亞砜、亞鐵血紅素、膽素、四吡咯[1]、氨基酸(如全局調(diào)控蛋白CodY的2個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域)也可以作為配體與GAF結(jié)合[2]。目前，已有利用X射線晶體衍射和核磁共振技術(shù)解析一些GAF結(jié)構(gòu)域的研究報(bào)道，其中釀酒酵母YKG9蛋白的GAF結(jié)構(gòu)域最先被解析[3];隨后，Martinez等[4,5]解析了小鼠磷酸二酯酶串聯(lián)GAF的晶體結(jié)構(gòu)，并報(bào)道了藍(lán)細(xì)菌腺苷酸環(huán)化酶(adenylatecyclase,AC)CyaB2的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，有研究發(fā)現(xiàn)，磷酸二酯酶(phosphodiesterase,PDEs)的GAF結(jié)構(gòu)域可作為藥物靶標(biāo)開(kāi)發(fā)[6];耐輻射奇球菌的光敏色素的GAF結(jié)構(gòu)域在光轉(zhuǎn)化模型研究中可作為膽素結(jié)合位點(diǎn)[7,8,9]，在光遺傳學(xué)的研究中發(fā)揮著重要作用。

1、GAF結(jié)構(gòu)域的分類

GAF結(jié)構(gòu)域廣泛分布于多種蛋白質(zhì)中，在細(xì)胞中主要起著信號(hào)受體的作用，很多種類的小分子包含一些信號(hào)分子和發(fā)光基團(tuán)均可與之結(jié)合[10]。GAF結(jié)構(gòu)域通常以串聯(lián)的形式存在，極少數(shù)情況下也可作為單獨(dú)功能的蛋白質(zhì)出現(xiàn)。近年來(lái)隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)在一些光受體、氣味受體以及全局調(diào)控蛋白中也存在串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域。根據(jù)結(jié)合的配體不同，GAF結(jié)構(gòu)域還可分為以下5個(gè)種類[11]。

1.1、光受體中的GAF

植物光敏色素是一種光受體，由N末端光感受區(qū)域和C末端信號(hào)傳導(dǎo)區(qū)域構(gòu)成，N末端光感受區(qū)域主要由GAF結(jié)構(gòu)域和Per-Arnt-Sim(PAS)結(jié)構(gòu)域組成[10]。其中GAF結(jié)構(gòu)域包含生色團(tuán)的結(jié)合位點(diǎn)，PAS則主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)光敏色素對(duì)不同波長(zhǎng)光的響應(yīng)[11]。在光合細(xì)菌、真菌中也相繼發(fā)現(xiàn)光受體-光敏色素，盡管細(xì)菌、真菌中的光敏色素在性質(zhì)上與植物光敏色素差異較大，但二者GAF結(jié)構(gòu)域的同源性較高[12]，說(shuō)明GAF結(jié)構(gòu)域作為光敏色素的重要組成成分，在進(jìn)化中較保守。

1.2、氣體受體中的GAF

GAF結(jié)構(gòu)域在植物乙烯信號(hào)途徑中具有特殊作用，擬南芥中的5個(gè)乙烯受體家族ETR1、ERS1、ETR2、EIN4和ERS2的基本結(jié)構(gòu)均包含1個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域，在乙烯信號(hào)響應(yīng)和傳導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用[13,14]。GAF還可以通過(guò)氨基酸殘基與血基質(zhì)結(jié)合，從而感受一些氣體信號(hào)，如結(jié)核分枝桿菌通過(guò)GAF結(jié)構(gòu)域感受到宿主組織缺氧后會(huì)進(jìn)入休眠期，進(jìn)入持留狀態(tài)[15]。

1.3、環(huán)核苷酸受體中的GAF

環(huán)核苷酸(cylicnucleotides,cNMP)是機(jī)體內(nèi)重要的小分子信號(hào)物質(zhì)，GAF可作為cNMP的受體參與細(xì)胞內(nèi)化學(xué)信號(hào)的傳導(dǎo)[16]。哺乳動(dòng)物中較早發(fā)現(xiàn)的GAF結(jié)構(gòu)為PDEs的串聯(lián)GAF-A/B，研究發(fā)現(xiàn)PDEs可以調(diào)節(jié)所有使用cGMP或cAMP作為第二信使的通路。目前已知的PDEs家族有11個(gè)，即PDE1～PDE11，且至少存在21個(gè)亞型[16]，其中，PDE2、PDE5、PDE6、PDE10和PDE11的氨基端都含有1對(duì)GAF-A/B結(jié)構(gòu)[17,18,19]。AC存在于各種生物細(xì)胞中，其能在外界信號(hào)刺激和細(xì)胞內(nèi)代謝變化條件下催化ATP(adenosinetriphosphate)生成cAMP(cyclicAMP)和焦磷酸(pyrophosphate,PPi)，從而調(diào)節(jié)機(jī)體各種生理反應(yīng)[20,21]。藍(lán)細(xì)菌ACCyaB2的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域含有1對(duì)GAF-A/B結(jié)構(gòu)，其序列與PDEs串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)的相似性較高，二者可實(shí)現(xiàn)部分功能的互換[21,22,23]。

1.4、具有單獨(dú)酶活性的GAF

GAF串聯(lián)結(jié)構(gòu)域多數(shù)情況下主要以復(fù)雜蛋白的配體參與胞內(nèi)外信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，但在極少數(shù)情況下，單個(gè)的GAF結(jié)構(gòu)域也可作為蛋白質(zhì)發(fā)揮作用，如Lin等[15]研究發(fā)現(xiàn)一種新型的蛋氨酸亞砜(methioninesulfoxide,MetO)還原酶游離蛋氨酸R型亞砜還原酶(freemethioninesulfoxidereductase,fRMsr)，其長(zhǎng)度為183個(gè)氨基酸殘基，作為一類重要的氧化還原調(diào)節(jié)蛋白參與細(xì)胞的防御和抗衰老過(guò)程。Pfam分析結(jié)果顯示，fRMsr只有1個(gè)長(zhǎng)度為129個(gè)氨基酸殘基的GAF結(jié)構(gòu)域，這是GAF家族中第1個(gè)被發(fā)現(xiàn)具有單獨(dú)酶活性的GAF結(jié)構(gòu)域。

1.5、類GAF結(jié)構(gòu)域

耐輻射奇球菌關(guān)鍵蛋白PprI(inducerofpleiotropicproteinspromotingDNArepair)的C末端與肺炎克雷伯菌傳感器組氨酸激酶CitA(histidinekinases,HK)和磷酸二酯酶2A(phosphodiesterase2A,PDE2A)的GAF結(jié)構(gòu)域高度相似[24]，比較三者與檸檬酸鹽和cGMP配體組成的復(fù)合體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)三者的配體結(jié)合位點(diǎn)和信號(hào)通路都有較高程度的重疊[25]，因此PprI的C末端也被稱為PprI的GAF結(jié)構(gòu)域。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)去除PprI的C端，會(huì)導(dǎo)致耐輻射抗性大幅度下降，表明PprI的C末端可能在耐輻射響應(yīng)機(jī)制中起著傳感器的作用[26]。

2、GAF結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)

GAF結(jié)構(gòu)域通常作為蛋白質(zhì)的一部分，配合其他的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域如PAS(Per-Arnt-Sim)結(jié)構(gòu)域、HAMP(histidinekinases,adenylylcyclases,methybindingproteins,phosphatases)結(jié)構(gòu)域以及各種感應(yīng)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域共同發(fā)揮作用[22]。蛋白一般含有1個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域或者1個(gè)串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域，極少情況下，細(xì)菌蛋白質(zhì)存在3個(gè)及3個(gè)以上連續(xù)排列的GAF區(qū)域，如在聚球藻屬或厭氧粘細(xì)菌中參與多傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的組氨酸激酶有6個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域[4]。GAF超家族是一類主要通過(guò)與配體分子結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)域集合，其家族成員的一級(jí)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，但大多數(shù)由150個(gè)左右氨基酸殘基組成，有類似的一些結(jié)構(gòu)特征，其中哺乳動(dòng)物PDEs和藍(lán)細(xì)菌ACCyaB2的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域是典型代表[27,28]。

2.1、GAF結(jié)構(gòu)域基本特征

GAF結(jié)構(gòu)域均存在相似的三維折疊結(jié)構(gòu)，N端和C端的1、2、3、5螺旋形成了結(jié)構(gòu)的外層，無(wú)規(guī)則卷曲和短的4螺旋結(jié)構(gòu)形成了相對(duì)外層，有6個(gè)中心反向平行的折疊，折疊形成的彎曲平面將螺旋分為兩部分[3]。反向平行的折疊形成的彎曲平面是配體結(jié)合口袋的基本結(jié)構(gòu)，配體結(jié)合口袋的部分區(qū)域被3、4螺旋和一些環(huán)狀卷曲所覆蓋，2、5在配體結(jié)合口袋的另一面[15](圖1)。

圖1GAF三級(jí)結(jié)構(gòu)[3]

Fig.1TertiarystructureofGAF[3]

2.2、2種經(jīng)典的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)特征

GAF的結(jié)構(gòu)域通常是以二聚體的形式出現(xiàn)，主要形成雙重對(duì)稱平行和反向平行2種結(jié)構(gòu)。GAF二聚體結(jié)構(gòu)域中最經(jīng)典的代表是哺乳動(dòng)物磷酸二酯酶家族中的PDE2和藍(lán)細(xì)菌ACCyaB2，二者的GAF結(jié)構(gòu)域都是串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的形式[4]。所有結(jié)合環(huán)狀核苷酸的串聯(lián)GAFs均至少含有1個(gè)由5個(gè)氨基酸殘基NKX(5-24)FX3DE構(gòu)成的基序(NKFDE基序)，此基序?qū)AF結(jié)構(gòu)域的正確折疊起著重要作用，且大多數(shù)串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中NKFDE的基序都是保守的。此外，在串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的前端還存在一段較長(zhǎng)的N端肽段，與串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域構(gòu)成一個(gè)整體，并影響串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域與環(huán)核苷酸的親和力[3]。

PDE2的GAF的結(jié)構(gòu)域是1個(gè)雙重對(duì)稱平行的二聚體(圖2-A)，主要包含兩大部分，即GAF-A和GAF-B，其中GAF-A和GAF-B被一個(gè)長(zhǎng)的螺旋隔開(kāi)，每個(gè)GAF-A結(jié)構(gòu)域都彼此離得很近且似乎直接參與二聚反應(yīng)，而GAF-B結(jié)構(gòu)域是分開(kāi)的[8]。在PDE2的串聯(lián)GAF中，GAF-A和GAF-B均包含NKFDE基序，通過(guò)該基序突變研究發(fā)現(xiàn)，每個(gè)GAF-B結(jié)構(gòu)域結(jié)合1個(gè)cGMP，并將其完全淹沒(méi)在結(jié)合口袋中，而與GAF-B有著類似結(jié)構(gòu)的GAF-A結(jié)構(gòu)域不結(jié)合配體[22]，表明要結(jié)合或者釋放cGMP，這個(gè)結(jié)構(gòu)域必須開(kāi)放到一定程度并允許外部物質(zhì)進(jìn)入。

Martinez等[5]研究表明藍(lán)細(xì)菌ACCyaB2的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)的晶體分辨率為1.9，是1個(gè)反向平行的二聚體結(jié)構(gòu)，與PDEs的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域具有極高的序列相似性。二者的GAF-A和GAF-B結(jié)構(gòu)域都是由32個(gè)氨基酸長(zhǎng)度的螺旋連接，通過(guò)序列比對(duì)發(fā)現(xiàn)所有PDEs和AC串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的這個(gè)螺旋長(zhǎng)度基本相同[1]，表明這個(gè)螺旋對(duì)二聚體的形成至關(guān)重要[26]。相比PDE2的串聯(lián)GAF二聚體結(jié)構(gòu)，ACCyaB2串聯(lián)GAF二聚體表面有不同的排列，在其反向平行構(gòu)象中，1個(gè)蛋白中的GAF-A會(huì)與另一個(gè)蛋白的GAF-B形成并列式排布，且CyaB2串聯(lián)GAF的N端螺旋被折疊到二聚體中心，導(dǎo)致N端螺旋點(diǎn)和螺旋連接處的表面相互作用有所增強(qiáng)(圖2-B)。

圖2磷酸二酯酶PDE2(A)和腺苷酸環(huán)化酶CyaB2(B)串聯(lián)GAF的結(jié)構(gòu)域[5]

Fig.2ThedomainofphosphodiesterasePDE2(A)andadenylatecyclaseCyaB2(B)inseriesGAF[5]

3、GAF結(jié)構(gòu)域的功能

3.1、串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的功能

3.1.1、光信號(hào)傳導(dǎo)

植物光敏色素作為植物中的光受體，通過(guò)接受光信號(hào)并將信號(hào)傳到光反應(yīng)中心，然后將處理好的光信號(hào)通過(guò)光反應(yīng)中心輸出途徑傳遞給下游分子，進(jìn)而調(diào)控特異基因的表達(dá)。光敏色素主要通過(guò)GAF結(jié)構(gòu)域的保守性半胱氨酸殘基與線性四吡咯色素分子的共價(jià)連接，形成具有光活性的色素蛋白，進(jìn)行信號(hào)傳導(dǎo)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)建成中發(fā)揮著重要作用[29]。藍(lán)細(xì)菌中感光蛋白主要通過(guò)GAF結(jié)構(gòu)域或PAS結(jié)構(gòu)域發(fā)揮與發(fā)色團(tuán)結(jié)合、適當(dāng)?shù)墓廪D(zhuǎn)換以及對(duì)從近紫外到可見(jiàn)光的廣泛光譜作出反應(yīng)等功能[1]。在藍(lán)細(xì)菌感光蛋白中，結(jié)合色素的GAF結(jié)構(gòu)域已經(jīng)具有完整的光活性，而植物光敏色素需要PAS結(jié)構(gòu)域、GAF結(jié)構(gòu)域和PHY結(jié)構(gòu)域串聯(lián)結(jié)合在一起才具有完整的光活性[30,31]。

3.1.2、氣體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

擬南芥的5個(gè)乙烯受體基因(ETR1、ERS1、ETR2、EIN4和ERS2)可分為2個(gè)亞家族，通過(guò)下調(diào)乙烯反應(yīng)基因來(lái)調(diào)節(jié)乙烯信號(hào)的輸出[32]。謝芳[33]研究表明，ETR1和ETR2兩個(gè)亞家族之間可以通過(guò)GAF結(jié)構(gòu)域進(jìn)行相互作用，轉(zhuǎn)導(dǎo)乙烯信號(hào)。Catal等[32]研究表明，ERS1受體中GAF結(jié)構(gòu)域的點(diǎn)突變會(huì)導(dǎo)致擬南芥對(duì)微弱乙烯不敏感。病原體結(jié)核分枝桿菌在感受到宿主組織缺氧后會(huì)進(jìn)入休眠期，其主要是通過(guò)DevRST操縱子系統(tǒng)進(jìn)行響應(yīng)。DevRST操縱子系統(tǒng)由雙組分信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)DevRS和DevT兩部分組成，其中DevRS由包含1對(duì)串聯(lián)GAF-A/B結(jié)構(gòu)的組氨酸激酶DevS和反應(yīng)調(diào)控子DevR組成，DevT2是1個(gè)信號(hào)感受蛋白。DevS的GAF-A通過(guò)H149A氨基酸殘基與血紅素的鐵原子協(xié)作，從而與血紅素結(jié)合，傳導(dǎo)氣體信號(hào)響應(yīng)宿主組織缺氧[15]。

3.1.3、化學(xué)信號(hào)傳遞

哺乳動(dòng)物PDEs的GAF結(jié)構(gòu)域主要通過(guò)結(jié)合cNMP信號(hào)分子發(fā)揮作用，已知包含GAF-A和GAF-B結(jié)構(gòu)的PDEs家族中，PDE5和PDE6的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域特異性結(jié)合cGMP,PDE10特異性結(jié)合cAMP,PDE2和PDE11與cGMP、cAMP均能結(jié)合，cNMP通過(guò)結(jié)合GAF結(jié)構(gòu)域激活PDEs的催化活性[17,34,35]。如恥垢分枝桿菌編碼了1種含有GAF結(jié)構(gòu)域的酶DcpA，具有催化c-di-GMP合成和水解的雙功能，該酶的GAF結(jié)構(gòu)域通過(guò)結(jié)合GDP，介導(dǎo)了其下游結(jié)構(gòu)的二聚化反應(yīng)，而二聚體對(duì)于DcpA酶的合成活性具有重要作用[36]。

3.1.4、藥物靶標(biāo)開(kāi)發(fā)

在磷酸二酯酶抑制劑藥物的開(kāi)發(fā)中，一些PDE抑制劑在臨床得到了廣泛的應(yīng)用，如PDE3抑制劑能用于治療心衰，PDE4抑制劑能用于治療呼吸道炎癥，PDE5抑制劑能用于治療男性勃起功能障礙等[37]。PDEs抑制劑通常直接作用于PDEs催化區(qū)域，從而抑制其酶活性，但在治療過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生視覺(jué)障礙、頭痛、偏頭痛等副作用;但通過(guò)藥物靶向作用于PDE5的GAF結(jié)構(gòu)域可有效抑制PDEs的激活，既間接抑制了PDEs的酶活，又消除了直接作用于PDEs催化區(qū)域帶來(lái)的副作用[12]。因此，哺乳動(dòng)物PDEs中串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域可以作為藥物靶標(biāo)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3.2、串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域各組件的功能

GAF結(jié)構(gòu)域通常以串聯(lián)的形式發(fā)揮功能，串聯(lián)GAF一般包括2個(gè)及以上GAF結(jié)構(gòu)、N端、鏈接段。所有具有環(huán)核苷酸結(jié)合特征的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中都至少存在1～2個(gè)NKFDE基序，GAF結(jié)構(gòu)域通常在一段較長(zhǎng)的N端肽段之后，且N端肽段的長(zhǎng)度存在差異[37]。研究表明，哺乳動(dòng)物PDEs由cGMP激活其活性，而PDEs又可以水解cGMP，因此直接研究PDEs各組件的調(diào)節(jié)功能對(duì)試驗(yàn)條件的要求極為嚴(yán)苛[38];而通過(guò)cAMP激活的藍(lán)細(xì)菌AC的底物是ATP，且AC和PDEs的GAF結(jié)構(gòu)域有極高的相似性，二者可在功能上相互替換[39]。因此常利用PDEs和AC的嵌合體來(lái)研究PDEs各組件功能，通常下游酶活性區(qū)域來(lái)自AC，上游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)域來(lái)自PDEs。

3.2.1、NKFDE基序的功能

串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中，NKFDE基序位于串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的GAF-A(PDE6和11)或GAF-B(PDE10)中，或者在2個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域中都有PDE2和PDE5以及腺苷酸環(huán)化酶CyaB1和CyaB2[40]。Ho等[3]對(duì)PDE5串聯(lián)GAF-A的NKFDE基序進(jìn)行突變，結(jié)果表明，該基序突變導(dǎo)致GAF完全喪失結(jié)合以及調(diào)控環(huán)核苷酸的功能，而突變GAF-B中NKFDE基序無(wú)影響。這種突變方法常用于鑒別GAF-A和GAF-B結(jié)構(gòu)域中哪一個(gè)負(fù)責(zé)配體結(jié)合和信號(hào)傳導(dǎo)。在大量注釋的GAF結(jié)構(gòu)域中，對(duì)于結(jié)合cNMP的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域，NKFDE基序可能是1個(gè)特征基序，但是絕大多數(shù)的GAF結(jié)構(gòu)域配體尚未確定[41]。進(jìn)一步研究表明，在串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中，cNMP結(jié)合區(qū)域的正確折疊需要NKFDE基序，該基序并未直接參與cNMP結(jié)合，而是在形成結(jié)合腔時(shí)，起支持性的結(jié)構(gòu)作用[22]，猜想這個(gè)基序可能在某種程度上與構(gòu)象運(yùn)動(dòng)有關(guān)，或者可能控制結(jié)合口袋的打開(kāi)和關(guān)閉[5,36,42]。

3.2.2、N端的功能

在串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中，N端位于GAF結(jié)構(gòu)域上游，Bruder等[41]和Gross-Langenhoff等[42]采用PDE5和PDE11替代藍(lán)細(xì)菌AC的GAF結(jié)構(gòu)域和N端，研究嵌合體中PDE5和PDE11的N端功能，結(jié)果表明，PDE5和PDE11的N端參與了信號(hào)傳導(dǎo)，通過(guò)與GAF結(jié)構(gòu)域的相互作用調(diào)節(jié)酶的活性。PDE5的N端肽段長(zhǎng)度為148個(gè)氨基酸，在102位有1個(gè)絲氨酸，該位點(diǎn)磷酸化能增加PDE5與cGMP的親和力[41]。Bruder等[41]將N端逐漸截短至102位的絲氨酸，N端基本結(jié)構(gòu)依然存在，且能與串聯(lián)GAF相互作用，此時(shí)藍(lán)細(xì)菌AC仍維持低水平的酶活，GAF結(jié)構(gòu)域與cGMP的親和力也無(wú)明顯變化;但當(dāng)從N端中去除102位氨基酸和更多氨基酸時(shí)，AC的活性增強(qiáng)，移除N端加入cGMP,AC活性可以達(dá)到最大。表明N端肽段與GAF之間通過(guò)復(fù)雜的相互作用抑制了AC的活性，cGMP介導(dǎo)的AC激活是通過(guò)將AC從抑制中釋放，而不是直接激活。

PDE11A4是PDE11家族中唯一包含完整串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域的剪接變異體，包含1對(duì)GAF-A/B結(jié)構(gòu)域，N端的氨基酸長(zhǎng)度為196，在其117和168位置有2個(gè)cNMP依賴性蛋白激酶的磷酸化位點(diǎn)(Ser-117,Ser-168)，任何一個(gè)位點(diǎn)磷酸化均可增加GAF-A與配體cGMP的親和力，降低激活A(yù)C所需的cGMP濃度[17]?？莶菅挎邨U菌CodY結(jié)合域有1個(gè)串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域，其N端與異亮氨酸結(jié)合時(shí)，CodY結(jié)合域的螺旋連接螺旋的結(jié)構(gòu)域展開(kāi)，增加了CodY與DNA結(jié)合的親和力[36,43]。因此，N端區(qū)域可能具有2種功能:一是影響串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域與cGMP的親和力，如PDE1A4的GAF-A結(jié)構(gòu)域與cGMP的親和力;二是直接作用于催化活性區(qū)域，通過(guò)與串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域形成1個(gè)緊密的結(jié)構(gòu)整體，影響配體結(jié)合區(qū)域的構(gòu)象。

3.2.3、各GAF串聯(lián)結(jié)構(gòu)域之間的關(guān)聯(lián)

串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中研究較多的是包含2個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域GAF-A/B的情況，其中GAF-A和GAF-B可能具有不同的功能，但二者在結(jié)構(gòu)和功能上存在相互作用。解析的小鼠PDE2全酶亞基端串聯(lián)GAF-A/B的晶體結(jié)構(gòu)顯示，每個(gè)GAF-B域結(jié)合1個(gè)cGMP從而進(jìn)行酶活性與構(gòu)象調(diào)節(jié)，而與GAF-B有著類似結(jié)構(gòu)的GAF-A結(jié)構(gòu)域不結(jié)合配體，主要發(fā)揮促進(jìn)單體二聚化的功能[2]。Xu等[23]研究表明，哺乳動(dòng)物PDE2和藍(lán)細(xì)菌ACCyaB1的串聯(lián)GAF能實(shí)現(xiàn)部分功能互換，若用PDE2的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域整體替換ACCyaB1的串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域，可將cAMP激活酶改造成cGMP調(diào)節(jié)酶。這種功能替換在PDE5、PDE10和PDE11串聯(lián)GAF也得到驗(yàn)證[23]。然而，只包含PDE5的1個(gè)GAF結(jié)構(gòu)域(GAF-A或B)的ACCyaB1嵌合體并不具備調(diào)節(jié)功能，表明用于功能信號(hào)的本質(zhì)是需要串聯(lián)GAF的2個(gè)結(jié)構(gòu)域[41]。

Hofbauer等[44]利用PDE5和PDE10的N端、GAF-A、GAF-B以及二者之間的鏈接段這4個(gè)部分組合成最可能的10種嵌合體，嵌合體下游來(lái)自藍(lán)細(xì)菌AC，主要作為信號(hào)輸出結(jié)構(gòu)域，發(fā)現(xiàn)部分嵌合體可以被激活。在PDE5的N端、GAF-A、和PDE10的鏈接段、GAF-B組成的嵌合體中，能觀察到cAMP和cGMP的信號(hào)傳導(dǎo)，從而激活下游AC活性;但若將GAF-B的NKFDE基序進(jìn)行D/A突變，會(huì)消除cAMP或cGMP的激活效應(yīng);將PDE10的鏈接段替換為PDE5的鏈接段也會(huì)完全消除嵌合體的信號(hào)傳導(dǎo)。這表明GAF-A和GAF-B之間存在結(jié)構(gòu)和功能的相互作用，且鏈接段可以將GAF結(jié)構(gòu)域內(nèi)部元件通過(guò)特異性的相互作用連接成有功能的整體[4,5]。因此，在串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域中，GAF-A、螺旋鏈接及GAF-B是一個(gè)高度有序的整體，且彼此之間存在特定的相互作用。

4、結(jié)論與展望

GAF結(jié)構(gòu)域作為生物體中重要的受體模塊之一，通過(guò)與cGMP、cAMP、環(huán)狀鳥(niǎo)苷酸等分子的結(jié)合進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。而GAF結(jié)構(gòu)域通常是以串聯(lián)的形式參與各種信號(hào)途徑，在PDEs、藍(lán)細(xì)菌ACs、植物光敏色素等信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中，串聯(lián)排列的GAF結(jié)構(gòu)域均具有重要作用。單獨(dú)的GAF結(jié)構(gòu)域則必須以二聚體形式發(fā)揮功能，且主要起調(diào)節(jié)相關(guān)酶活性的功能。在磷酸二酯酶抑制劑藥物的開(kāi)發(fā)中，哺乳動(dòng)物PDEs中串聯(lián)GAF結(jié)構(gòu)域可作為藥物靶標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，為哮喘、自身免疫、炎性等疾病的治療提供幫助[18,41,45,46]。近年來(lái)在光遺傳學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，GAF結(jié)構(gòu)域作為植物光敏色素的重要組成部分，在光轉(zhuǎn)化模型的構(gòu)建中發(fā)揮著重要作用[45]。最近浙江大學(xué)分子生物物理實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)GAF類似結(jié)構(gòu)域在細(xì)菌耐輻射和DNA損傷修復(fù)中也可能具重要功能(未發(fā)表)。同時(shí)，有些共性問(wèn)題尚亟待解決，如當(dāng)腺嘌呤和鳥(niǎo)嘌呤進(jìn)入GAF結(jié)構(gòu)域結(jié)合區(qū)域時(shí)，GAF結(jié)構(gòu)域如何識(shí)別和區(qū)分它們;其構(gòu)象如何改變以便將配體完全包圍以及最終如何激活磷酸二酯酶、腺苷酸環(huán)化酶等重要蛋白。因此，仍需對(duì)GAF結(jié)構(gòu)域進(jìn)行更深入的研究。

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