1、河北工业大学学报JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2023 年 2 月February 2023第 52 卷 第 1 期Vol.52 No.1磷酸化调节的膜蛋白结构及其功能研究进展孙夫德，任美娜，赵丽娜，马子祎，鲍宇（河北工业大学 理学院 生物物理研究所，河北省分子生物物理重点实验室，天津 300401）摘要磷酸化修饰是膜蛋白翻译后修饰的重要类型之一，由蛋白激酶和磷酸酶共同调节而保持一种动态平衡,在正常生命活动乃至肿瘤发生中发挥调控作用。磷酸化修饰诱导膜蛋白结构变化可调节蛋白之间结合活力，而关键磷酸化位点突变可破坏蛋白结合并解除相关信号传导的调节
2、。与其他蛋白不同，膜蛋白需要以质膜为介质发挥功能作用，由于膜组成复杂性和不对称性，磷酸化修饰对膜蛋白的质膜定位以及表面贴附至关重要。膜蛋白磷酸化还调节周围磷脂分子的热力学性质和动力学特性，从而加剧对磷脂双分子层有序度的影响。本文重点阐述了膜蛋白磷酸化的分子特征及调控机制，包括磷酸化位点分布，磷酸化修饰对膜蛋白结构调控以及特异膜环境依赖性；系统总结了膜蛋白磷酸化引发的结构变化在各种生物过程中的功能作用，旨在为膜蛋白磷酸化及相关靶向干预研究提供参考。关键词磷酸化修饰；膜蛋白；质膜；结构变化；生物功能中图分类号Q6文献标志码AStructure and function of membrane pr
3、oteins modulated byphosphorylationSUN Fude,REN Meina,ZHAO Lina,MA Ziyi,BAO Yu（Key Laboratory of Molecular Biophysics,Hebei Province,Institute of Biophysics,School of Sciences,Hebei University of Tech-nology,Tianjin 300401,China）AbstractPhosphorylation modification is one of the main type of post-tra
4、nslational modification of membrane proteins.It is regulated by protein kinases and phosphatases to maintain a dynamic balance and play a role in normal life activities and even tumorigenesis.Phosphorylation induces structural changes in membrane proteins that regulate binding activity between prote
5、ins.Due to disease mutations,loss of phosphorylation sites may disrupt protein binding and deregulate signal transduction.Different from other proteins,membrane proteins require the plasma membrane as a medium tofunction.Because membrane composition is complex and asymmetrical,phosphorylation is cru
6、cial for the correct localization of membrane proteins.Phosphorylation of membrane proteins also greatly affects the thermodynamic and dynamics properties of the surrounding phospholipid molecules,which intensifies the influence on the order degree of the phospholipid bilayer.This paper focuses on t
7、he molecular characteristics and regulation mechanism of membrane proteinphosphorylation,including the distribution of phosphorylation sites,the regulation of membrane protein structure and thedependence of phosphorylation on specific membrane environment.The functional roles of membrane protein pho
8、sphorylation induced structural changes in various biological processes were systematically summarized in order to provide theoretical references for a further study of membrane protein phosphorylation and relevant targeted intervention.Key wordsphosphorylation modification;membrane protein;plasmole
9、mma;structural change;biological function文章编号：1007-2373（2023）01-0001-12DOI：10.14081/ki.hgdxb.2023.01.001收稿日期：2022-05-13基金项目：河北省教育厅重点项目（ZD2020140）；国家自然科学基金（32201022）第一作者：孙夫德（1988），博士，讲师，；任美娜（1998），硕士研究生，。孙夫德和任美娜为共同第一作者。孙夫德，等：磷酸化调节的膜蛋白结构及其功能研究进展0引言膜蛋白是一类能够结合或整合到细胞膜或细胞器膜上蛋白质的总称。在围绕细胞和较小细胞区室的脂质膜层中发现了数百万
10、种膜蛋白，占所有编码蛋白质的25%30%。根据与膜结合强度以及位置的不同膜蛋河北工业大学学报2第 52 卷白被归为3类：外周膜蛋白、整合膜蛋白和脂锚定蛋白1-2。膜蛋白可以通过细胞外和细胞内的相互作用介导细胞与环境间物质及信号交换过程，如细胞信号传导、膜不透性分子转运和细胞间通讯等3。近年来，结构生物学的发展促使更多哺乳动物细胞膜蛋白的结构信息和生物关联性得以良好表征，且有广泛研究显示，膜蛋白在癌细胞发生发展中扮演重要调节作用4。同时，膜蛋白还是十分重要的药物靶标，目前所有可用药物中有70%以上是通过膜蛋白起作用的，其中包括治疗癌症、心脏病和疼痛的药物5-6。膜蛋白生物功能的充分发挥，大多需要
11、由蛋白激酶和磷酸酶催化的可逆磷酸化修饰介导下的动态构象变化、配体结合以及亚细胞定位过程7。磷酸化是一种生物体内重要的可逆性翻译后修饰。人类基因组编码的21 000种蛋白质中，超过三分之二被磷酸化，超过90%的蛋白会受到这种翻译后修饰的影响8。这种可逆机制分别通过蛋白激酶（proteinkinase）和蛋白磷酸酶（protein phosphatase）催化发生。在蛋白激酶催化下，三磷酸腺苷（ATP）的磷酸基被转移至膜蛋白的氨基酸侧链而发生磷酸化修饰，随后磷酸化膜蛋白与下游磷酸化结合蛋白（phospho-binding proteins）相互作用。同时，磷酸化膜蛋白也可以在磷酸酶作用下发生去磷酸
12、化（图1）。目前已知可发生磷酸化修饰的天然氨基酸有9种（丝氨酸Ser、苏氨酸Thr、酪氨酸Tyr、赖氨酸Lys、精氨酸Arg、天冬氨酸Asp、谷氨酸Glu、半胱氨酸Cys和组氨酸His），而其中丝氨酸磷酸化、苏氨酸磷酸化以及酪氨酸磷酸化尤为常见9。在各种氨基酸的极性基团侧链上添加或移除磷酸基团通常都会造成蛋白局域电荷变化，这是磷酸化影响蛋白结构性质、稳定性和动力学的重要原因10。磷酸化修饰对蛋白的调节机制是多样的，磷酸化会使蛋白复合物不稳定，并可导致蛋白激活或失活。在其他诱导因素存在条件下，可介导异源蛋白复合物的形成，并通过蛋白类似物竞争性结合提供一种负调控机制。磷酸化还可通过诱导蛋白构象变化
13、或蛋白之间结合的变构效应，调节蛋白间相互作用的性质和强度，从而协调不同的细胞反应途径11。除了直接影响蛋白质本身的动力学特性外，膜蛋白的不同磷酸化模式似乎具有不同的“磷酸化条形码”，可以诱导配体呈现独特的构象及活性，从而控制不同的细胞反应。典型的膜蛋白是G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptor，GPCR），它可在C端和胞内环的多个残基位点发生磷酸化，不同位点磷酸化可特异性地调控其配体-抑制素的活性状态，使下游信号蛋白的募集受到影响12。与水溶蛋白不同，膜蛋白磷酸化还会使其周围磷脂分子的热力学性质和动力学结构受到较大干扰，从而加剧对磷脂双分子层有序度的影响。磷酸化后的
14、负电荷排斥某些负电性磷脂分子，使膜表面磷脂分子的分布发生改变。值得注意的图 1膜蛋白磷酸化修饰可逆催化调控机制Fig.1Mechanism of reversible phosphorylation of membrane proteinsProteinPhosphataseKinaseProteinPO4Phospho-BindingProteinATPADPOHOHONO-PHOOHOHNH2NNNOOOPOOO-ONO-PNH2NNNOOOPOOO-PO-O-O孙夫德，等：磷酸化调节的膜蛋白结构及其功能研究进展3第 1 期是，磷脂分子的分布状态对生物膜的自组织结构、蛋白质-磷脂膜的相互作
15、用、生物膜的融合分裂以及脂筏（lipid raft）的形成等具有重要的意义13-14。同时，磷酸化影响膜蛋白在细胞上形成团簇的形式以及在细胞膜上的结合取向，这种影响还与细胞膜本身的流动性有关15。大量报道显示膜蛋白的磷酸化修饰参与了细胞癌化过程，且其修饰位点变化通常与癌症患者的愈后相关16。因此，膜蛋白的磷酸化修饰可作为重要的愈后标志物，在肿瘤的治疗及愈后评估具有重要价值。本文将重点阐述膜蛋白磷酸化的分子特征及调控，系统总结膜蛋白磷酸化的结构变化在各种生理病理过程中的功能作用，旨为膜蛋白磷酸化深入研究提供理论参考。1膜蛋白磷酸化修饰的特征及调控机制膜蛋白的多种氨基酸都可以被磷酸化，但丝氨酸（8
16、6.4%）、苏氨酸（11.86%）和酪氨酸（1.8%）残基是最常见的磷酸化位点9。膜蛋白磷酸化发挥特定功能调控具有位点依赖性，这意味着磷酸化发生不是随机的17。此外，不同位点的磷酸化修饰会调控膜蛋白的结构转变，而磷酸化修饰引发的结构变化在翻译后修饰中占比最高。对不同磷酸化修饰位点分析，揭示了其对膜蛋白结构影响的多样性和异质性，磷酸化可以在局部和全局水平上影响膜蛋白结构18。1.1磷酸化区域界面及结构特性许多细胞功能调控机制在蛋白质-蛋白质相互作用水平上运作，相关信号通路涉及蛋白质-蛋白质结合活性和磷酸化修饰下的作用网络19。磷酸化修饰在某些情况下会调节膜蛋白同源寡聚和异源寡聚复合物中构象间或寡聚状态间的转变20。Nishi等21通过实验将磷酸化位点映射到人类同源或异源蛋白寡聚体的晶体结构。结果表明，与非结合界面的蛋白表面位点相比，磷酸化位点倾向于分布在瞬时同源低聚物和异源低聚物的结合界面上。有研究指出，异源寡聚体结合界面上的磷酸化位点取代所产生的结合亲和力变化更大，磷酸化可能直接调节结合界面上相互作用的强度。在界面上，磷酸化位点通过比非磷酸化位点形成更多的氢键和残基接触来促进复合物的稳
