细胞蛋白质相互作用的结构基础

朱海青 陈竺 王振义 童建华

（上海第二医科大学，瑞金医院，上海血液学研究所，上海200025）

　

关键词：结构域；基因功能；蛋白质间相互作用

中图分类号：Q75

    随着人类基因组计划的进行，大量基因被发现和定位，基因的功能问题将成为今后研究的热点。大多数基因的最终产物是相应的蛋白质，因此要认识基因的功能，必然要研究基因所表达的蛋白质。蛋白质的功能往往体现在与其他蛋白质及/或核酸的相互作用之中。细胞各种重要的生量过程，包括信号的转导，细胞以外界环境及内环境变化的反应等，都是以蛋白质间相互作用为纽带，并形成网络。所以，近年来，蛋白质间相互作用的研究逐渐得到重视。蛋白质分子手工艺结构域有很多种，但是现在明确作为为介导蛋白质-蛋白质间相互作用的结构域并不多，这里取已明确功能的加以综述。

1. BRCT结构域

    BRCT(breast cancer susceptibility gene C terminus)结构域最先发现乳腺癌抑癌蛋白BRCA1的羧基端，是一个进化上并不十分保守的蛋白质-蛋白质间相互作用的结构域，它由大约95个氨基酸残基组成，立体结构由三个α螺旋围绕四条平等的β折叠构成。该结构域在细胞周期相关蛋白质、DNA损伤识别，修复相关蛋白质中均有分布。例如，含有BRCT结构域的蛋白质BRCA1（乳腺癌易感基因）可以通过自身的BRCT结构域和Rb结合蛋白RbAp46、RbAp48以及Rb本身产生作用、组蛋白去乙酰化酶（HDAC1）也可与BRCA1的BRCT结构域结合^[1]，与DNA损伤修复以及凋亡相关的蛋白P53也是BRCT结构域的作用对象，发生作用后可激活相应的基因。一种DNA修复蛋白（XRCC1）含有两个功能区域，大约由100个氨基酸构成，每一个分享一个BRCT结构域。X线衍射晶体结构研究发现XRCC1能利用BRCT结构域形成同源二聚体，提示BRCT在蛋白质间起同源或异源二聚体的作用。另外XRCC1还可以利用其两个BRCT结构域，分别独立的与DNA连接酶Ⅲ及多聚(ADP-核糖)多聚酶结合，从而参与DNA单链断裂的修复^[2]。

2. LIM结构域

    LIM（Lin-11,Isl-1和Mec-3基因）结构域由60个富含半胱氨酸的氨基酸残基构成，进化上相对保守，其保守组分为7个半胱氨酸残基和1个组氨酸残基，结构域通式为：C-X(2)-C-X(15,21)-[FYWH]-H-X(2)-[CH]-X(2)-C-X(2)-C-X(3)[LIVMF]。LIM结构域可结合两个锌离子，这两个锌离子随机安置，但LIM结构域不能结合DNA分子。

    对含有LIM结构域的CRP(cysteine and glycine-rich protein，丝氨酸和甘氨酸富集蛋白)的研究发现，其疏水核心对LIM结构域的立体折叠十分重要，而每一个锌离子结合区的氢键对维持锌指的几何结构是必需的。现在发现的含有LIM结构域的蛋白质较多，一般可分为三组：第一组，含有成对LIM结构域，分为A型和B型，靠近氨基末端常常但不总是含有一个同源结构域。LMO(LIM-only)蛋白，常有不多于两个的LIM结构域，它还包含一段不属于成对的LIM结构域一个小序列，也被分在这一组。第二组含有一或两个单一序列型LIM结构域拷贝（C型）。第三组是一些不同来源的LIM结构域的集合，这些LIM结构域大多靠近羧基末端，常和一些附加结构域相连，其中一些可能具有和细胞骨架万分结合的能力^[3]。来自第二组及第三组的LIM结构域可以单独和不同的配体，从立体构型分析LIM结构域可能有不止一个的结合界面。LIM结构域转录因子家族成员大多在氨基端含有两个LIM结构域，在羧基端含有一个能与DNA结合的同源结构域。两个LIM结构域转录因子家族成员要建立联系，必需通过各自的LIM结构域分别和NLI(Nuclear LIMdomain interactor,胞核LIM结构域作用子，是一种核蛋白）单体的LIM结合结构域相互作用，这样就形成一个四聚体结构，从而促进远距离的增强子和启动子的相互作用。LIM结构域为以上转录因子的联系提供了纽带。LIM结构域结合蛋白（LIM domain-binding protein），也可以通过其羧基端和含有LIM结构域的蛋白质相互作用，形成复合体作为传递激活造血信号的桥梁^[4]。   

3. POU结构域

    POU(pit-1,oct-1,oct-2,和线虫unc-86基因)结构域由70到75个氨基酸构成，位于许多真核转录因子的同源盒结构域(Ho-meobox)的上游。POU结构域有两个保守的区域，一个为POU特异结构区域，另一个是POU的同源结构域，两个亚结构域由一个螺旋-转角-螺旋模块作为结合DNA的功能区，同时也参与介导蛋白质-蛋白质间的作用。现在已知，许多转录因子都可和POU结构域发生作用。POU结构域可由两个通式来描述，第一，15-27:[RKQ]-R[LIM]-X-[LF]-G-[LIVMFY]-X-Q-X[DNQ]-V-G。第二：S-Q-[ST]-[TA]-I-[SC]-R-F-E-X-[LSQ]-X-[LI]-[ST]。八聚体结合转录因子(octamer-binding transcription factor-1,Oct-1)含有POU结构域，它在细胞内较广泛地表达，参与激活含有八聚体模块的启动子，这些启动子与细胞周期凋控基因H2B以及核小RNA基因的表达相关。另外，Oct-1或Oct-2蛋白可通过其POU结构域与维甲类受体（RXR）的DBD(DNA binding domain,DNA结合结构域)结合，影响甲状腺素受体（RXR/TR）异源二聚体和甲状腺素受体元件（TRE）的作用，从而调节包含TRE的启动子的转录活性^[5]，同样，含POU的转录因子Pit-1也可以利用自己的POU结构域和TR作用从而激活生长激基因。

4. Bromo结构域

    Bromo结构域(bromo domain)由大约70个氨基酸构成，其通式为[STANVF]-X(2)-F-X(4)-[DNS]-X(5,7)-[DENQTF]-Y-[HFY]-X(2)-[LIVMFY]-(3)-[LIVM]-X(4)-[LIVM]-X(6,8)-Y-X(12,13)-[LIVM]-X(2)-N-[SACF]-X(2)-[FY]。几乎所有的与组蛋白去乙酰化酶（HAT）相关的共激活因子都含有该结构域，Bromo结构域的立体结构由四个螺旋束（helices αZ,αA,αB和αC），一个左手扭曲及一个介于螺旋αZ及αA之间的长环构成，称为ZA环，四个螺旋一个个紧密地捆绑在一起，双双成反平行。在这一结构中ZA环有一个较肯定的构象，被包裹于螺旋αZ和螺旋αA这间构成一个疏水口袋，成为蛋白质间相互作用的场所。p300/CBP相关因子（p300/CBP-associated factor,p/CAF）是核受体共激活因子复合物的一个组分，它含有Bromo结构域，该结构域能识别乙酰化的赖氨酸，从而介导组蛋白乙酰化酶（HAT）到染色质的特异部位，调控DNA与组蛋白的作用，继而调节基因表达^[6]。

5. 亮氨酸拉链结构域

    亮氨酸拉链（leucine zipper）结构域通常被定义为一行4-7个周期重复的亮氨酸残基，其距离大约跨越8个螺旋转弯，通式为L-x(6)-L-x(6)-L-x(6)-L，有时典型的亮氨酸残基会被异亮氨酸或缬氨酸所代替。结构分析发现亮氨酸拉链由平行的卷曲螺旋型α螺旋（coiled-coil α-helix）构成，它们通过亮氨酸侧链的疏水作用互相缠绕^[7]。亮氨酸拉链的二级结构分析可以发现，该结构域呈“α螺旋-环-α螺旋”的结构，利于形成同源二聚体。AP-1是一个经典的具有亮氨酸拉链结构的蛋白质家族，其成员Jun和fos可以形成同源或异源二聚体，同是Jun还可以利用羧基端的亮氨酸拉链和Rb蛋白发生相互作用，从而影响细胞的生长和分化^[8]。Myb蛋白是一种转录因子，其氨基端具有DNA结合结构域，中央是反式激活结构域（transactiva-tion domain），羧基端是一个亮氨酸拉链结构域。现在已知P67，P160，P26，P28等蛋白质均可和Myb的亮氨酸拉链作用。详细功能堂需进一步探索。

6. POZ结构域

    POZ(pox virus and zinc finger)结构域由120个氨基酸组成，是进化上保守的蛋白质-蛋白质相互作用结构域。在含有C₂H₂锌指的蛋白质的氨基端，大约5%-10%含有该结构域，拥有POZ结构域的蛋白质分子多数为转录因子，这些转录因子可通过POZ结构域形成高度紧密扭曲结合的同源二聚体，这个同源二聚体有一个较大的疏水表面，每个单体有1/4的表面用于二聚体的分子间作用，这种构象特别适合于同源二聚体的形成，二聚体的表面是由保守氨基酸残基构成的沟，用于和其它蛋白质分子作用。在PLZF(promyelocytic leukemia zinc finger)蛋白中，PLZF可通过该结构域形成同源二聚体，其中心架构是一组α螺旋，而分子的头尾由短的β折叠封住。POZ结构域可以和组蛋白去乙酰化酶复合体作用从而发挥转录抑制活性，在急性早幼粒细胞白血病(APL)中由t(11;17)染色体易位引起的PLZF-RARα蛋白，不但形成同源二聚体，还可以通过POZ结构域与PML(promyelocytic leukemia)蛋白形成异源二聚体，影响PML的正常亚细胞定位^[9,10]。在BCL-6蛋白中，其氨基端的POZ结构域可以和共抑制因子N-CoR(nuclear receptor corepressor)或SMRT(silencing mediator of retinoid and thyroid receptor)作用，体外研究发现来自不同蛋白质的POZ结构域，包括PLZF以及一种疫苗病毒蛋白，均可以和N-CoR及SMRT发生亲和力不同的作用。

7. 环指(ring finger)结构域

    环指结构域也称为C₃HC₄锌指结构域，富含半胱氨酸，由40-60个氨基酸残基构成。它能结合两个锌离子，锌离子被4个半胱氨酸或3个半胱氨酸及1个组氨酸四分子螯合。它的通式为：C-X-H-X-[LIVMFY]-C-X(2)-C-[LIVMYA],环指的三维结构因蛋白质而异，IEEHV(immediate early equine her-pes virus)蛋白的环指中有β-β-α-β折叠构象，而在PML中其结构为β-β-β-环-α3₁₀-β。尽管有这些不同，环指还是有相对保守的构象区域，包括保持分子基本构象的β链，锌离子连接系统，以及保守残基包裹形式，该形式构成了疏水的核心^[11]。c-Cbl蛋白是信号转导途径中的一种接头蛋白，c-Cbl蛋白环指结构域可以和人类泛素结合酶7（UbcH7）结合，对细胞中配体诱导的表皮发生因子受体泛素化起关键作用，c-Cbl蛋白还可以通过其环指结构域结合泛素结合酶（E2），使磷酸化的底物泛素化，进而从蛋白体途径降解^[12]。MDM2(也称为HDM2)蛋白的羧基端含有环指结构域，可以通过该结构域和MDMX蛋白形成异源二聚体，从而阻止MDM2经过蛋白体途径被降解，MDM2蛋白可以凭借其羧基端的环每时结构域与P53蛋白结合，从而通过蛋白体途径降解P53^[13]。

    可能参与蛋白质-蛋白质间相互作用的其它结构域见表1。

表1 可能参与蛋白质-蛋白质间相互作用的其它结构域

结构域	相关特点	代表蛋白质
Set结构域	是一种介导蛋白质-蛋白质间相互作用的结构域，已证明它可以与一种类似双重特异磷酸酶蛋白家族作用	Rb结合锌指蛋白
Sam结构域	是进化上保守的蛋白质结合结构域，参与调节各种真核细胞的发育过程，可凭借SAM结构域为基础形成同二聚体，或异源二聚体	丝氨酸/酪氨酸蛋白激酶
Tpr结构域	由34个氨基酸残基构成，分布广泛，常构成脚手架样结构，介导蛋白质作用，且常形成较大的复合体	分裂后期启动复合体亚单位（cdc16,cdc23和cdc27）
WD40结构域	在高等真核细胞G蛋白β亚单位中有8个随机重复序列，每个由40个氨基酸残基构成，而每一个都含有中央的Trp-Asp模块，因而称为WD40，该结构域可以介导蛋白质相互作用	凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf）
SRCR结构域	多见于细胞表面分子和一些分泌蛋白，功能是参与配体介导结合	Mac2结合蛋白
SH2结构域	由大约100个左右氨基酸构成，含有SH2结构域的蛋白质可以利用SH2结构域与其靶肽上磷酸化的酪氨基酸残基的高特异性的结合为调节细胞信号转导链，这种作用是序列特异的，且是磷酸化依赖的	STAT蛋白

参考文献

1. Yarden RI et al. Proc Natl Acad Sci USA,1999,96(9):4983

2. Thornton K et al.Protein Expr Purif,1999,16(2):236

3. Breen JJ et al. J Biol Chem,1998,273(8):4712

4. Wadman IA et al. EMBO J,1997,16(11):3145

5. Chang W et al. J Biol Chem,1996,271(30):17733

6. Grunstein M. Nature,1997,389(6649):349

7. Nishitani J et al. J Biol Chem,1999,274(9):5454

8. Bartunek P et al. Oncogene,1997,15(24):2939

9. Borden KL et al. Curr Opin Struct Biol,1996,6(3):395

10. Yokouchi M et al. J Biol Chem,1999,274(44):31707

11. Tanimura S et al.FEBS Lett,1999,447(1):5

12. Chien CT et al. Proc Natl Acad Sci USA,1991,88(21):9578

13. Marsolier MC et al. J Mol Biol,1997,268(2):243