PKA

PKA (Protein Kinase A, цАМФ-зависимая протеинкиназа) — это семейство ферментов из класса протеинкиназ, которые катализируют фосфорилирование белков по остаткам серина и треонина. Активность PKA регулируется вторичным мессенджером циклическим аденозинмонофосфатом (цАМФ). PKA играет центральную роль в передаче внутриклеточных сигналов, опосредованных гормонами, нейромедиаторами и другими внеклеточными стимулами, и участвует в регуляции метаболизма, транскрипции генов, клеточного цикла, апоптоза и синаптической пластичности.

История открытия

Открытие PKA связано с изучением механизма действия гормонов, в частности адреналина и глюкагона. В 1958 году американский биохимик Эрл Сазерленд обнаружил, что адреналин стимулирует образование цАМФ в клетках печени. За это открытие в 1971 году он был удостоен Нобелевской премии по физиологии или медицине. Дальнейшие исследования показали, что цАМФ не является непосредственным эффектором, а активирует фермент, который, в свою очередь, фосфорилирует другие белки. В 1968 году группа учёных под руководством Эдвина Кребса и Эдмонда Фишера выделила и охарактеризовала цАМФ-зависимую протеинкиназу из скелетных мышц кролика. За открытие обратимого фосфорилирования белков как механизма клеточной регуляции Кребс и Фишер получили Нобелевскую премию по химии в 1992 году.

Структура

PKA представляет собой тетрамерный голофермент, состоящий из двух регуляторных (R) и двух каталитических (C) субъединиц. В неактивном состоянии комплекс имеет формулу R₂C₂.

Регуляторные субъединицы

Регуляторные субъединицы (R) существуют в нескольких изоформах: RIα, RIβ, RIIα, RIIβ. Каждая R-субъединица содержит два домена связывания цАМФ (домены A и B), а также псевдосубстратный участок, который блокирует активный центр каталитической субъединицы в отсутствие цАМФ. Связывание четырёх молекул цАМФ (по две на каждую R-субъединицу) вызывает конформационные изменения, приводящие к диссоциации комплекса:

\[ R_2C_2 + 4\text{цАМФ} \rightleftharpoons R_2(\text{цАМФ})_4 + 2C \]

Каталитические субъединицы

Каталитические субъединицы (C) кодируются тремя генами: Cα, Cβ и Cγ. Они имеют типичную для протеинкиназ структуру, включающую АТФ-связывающий карман, сайт связывания субстрата и активационный сегмент. В свободном виде C-субъединицы фосфорилируют белки-мишени по консенсусной последовательности Arg-Arg-X-Ser/Thr (где X — любая аминокислота).

Механизм активации

Активация PKA происходит в ответ на повышение внутриклеточной концентрации цАМФ. цАМФ синтезируется из АТФ ферментом аденилатциклазой, который активируется G-белками (например, Gαs) в ответ на связывание лиганда с рецептором, сопряжённым с G-белком (GPCR). Гидролиз цАМФ до АМФ осуществляется фосфодиэстеразами (PDE), что приводит к инактивации PKA.

Последовательность событий:

1. Лиганд (гормон, нейромедиатор) связывается с GPCR.
2. Активированный Gαs-белок стимулирует аденилатциклазу.
3. Аденилатциклаза синтезирует цАМФ из АТФ.
4. цАМФ связывается с регуляторными субъединицами PKA.
5. Голофермент диссоциирует, высвобождая активные каталитические субъединицы.
6. Свободные C-субъединицы фосфорилируют цитоплазматические и ядерные белки.

Функции и субстраты

PKA фосфорилирует широкий спектр белков-мишеней, регулируя множество клеточных процессов.

Метаболизм

• Гликогенолиз: PKA фосфорилирует и активирует гликогенфосфорилазу киназу, которая, в свою очередь, активирует гликогенфосфорилазу, расщепляющую гликоген.
• Глюконеогенез: PKA фосфорилирует и активирует ферменты, такие как фруктозо-1,6-бисфосфатаза.
• Липолиз: PKA фосфорилирует гормон-чувствительную липазу в жировой ткани, стимулируя расщепление триглицеридов.
• Стероидогенез: PKA фосфорилирует белок StAR, регулирующий транспорт холестерина в митохондрии.

Транскрипция генов

PKA регулирует экспрессию генов через фосфорилирование транскрипционных факторов. Ключевой мишенью является белок CREB (cAMP response element-binding protein). Фосфорилирование CREB по серину 133 способствует его связыванию с коактиватором CBP/p300 и активации транскрипции генов, содержащих в промоторе цАМФ-чувствительный элемент (CRE).

Клеточный цикл и апоптоз

PKA может как стимулировать, так и ингибировать пролиферацию и апоптоз в зависимости от типа клеток и контекста. Например, в некоторых клетках PKA фосфорилирует белок Bad, предотвращая его проапоптотическое действие, а в других — активирует каспазы.

Синаптическая пластичность

В нейронах PKA участвует в долговременной потенциации (LTP) и долговременной депрессии (LTD) синапсов. Она фосфорилирует рецепторы AMPA и NMDA, а также белки, участвующие в высвобождении нейромедиаторов.

Локализация и компартментализация

Активность PKA строго регулируется пространственно и временно. Важную роль в этом играют A-киназные якорные белки (AKAP). AKAP связывают регуляторные субъединицы PKA и локализуют фермент вблизи определённых субстратов, таких как ионные каналы, рецепторы и ферменты. Это обеспечивает специфичность и эффективность сигнализации.

Изоформы и тканевая экспрессия

Различные изоформы регуляторных и каталитических субъединиц экспрессируются в разных тканях:

• RIα: экспрессируется повсеместно, участвует в регуляции роста и дифференцировки.
• RIβ: преимущественно в головном мозге и спинном мозге.
• RIIα: экспрессируется в большинстве тканей, особенно в сердце и скелетных мышцах.
• RIIβ: в основном в головном мозге, жировой ткани и надпочечниках.
• Cα: повсеместная экспрессия.
• Cβ: преимущественно в головном мозге.
• Cγ: экспрессия ограничена яичками и некоторыми другими тканями.

Клиническое значение

Нарушения в работе PKA связаны с рядом заболеваний.

Онкологические заболевания

Мутации в генах, кодирующих субъединицы PKA, могут приводить к развитию опухолей. Например, активирующие мутации в гене PRKACA (кодирует Cα) обнаружены при синдроме Кушинга, вызванном аденомами коры надпочечников. Потеря функции регуляторной субъединицы RIα (ген PRKAR1A) связана с синдромом Карни — наследственным заболеванием, предрасполагающим к развитию множественных опухолей, включая миксомы сердца, эндокринные опухоли и шванномы.

Эндокринные заболевания

• Синдром Кушинга: активация PKA в коре надпочечников приводит к избыточной секреции кортизола.
• Несахарный диабет: мутации в гене рецептора вазопрессина или в гене аквапорина-2 нарушают сигнализацию через PKA в собирательных трубочках почек.

Неврологические и психические расстройства

Нарушения в цАМФ/PKA-сигнализации вовлечены в патогенез болезни Альцгеймера, болезни Паркинсона, шизофрении и депрессии. Снижение активности PKA в нейронах гиппокампа может способствовать нарушению памяти и когнитивным дефицитам.

Сердечно-сосудистые заболевания

PKA регулирует сократимость миокарда, фосфорилируя кальциевые каналы L-типа, фосфоламбан и тропонин I. Хроническая активация PKA при сердечной недостаточности может приводить к патологическому ремоделированию сердца.

Фармакологическая регуляция

PKA является мишенью для ряда лекарственных препаратов и исследовательских инструментов.

• Активаторы: форсколин (прямой активатор аденилатциклазы), аналоги цАМФ (например, 8-Br-цАМФ), ингибиторы фосфодиэстераз (например, кофеин, теофиллин, силденафил).
• Ингибиторы: H89 (конкурентный ингибитор АТФ-связывающего сайта, используется в исследованиях), KT5720, Rp-цАМФ (антагонист цАМФ).

Источники

• Krebs, E. G., & Beavo, J. A. (1979). Phosphorylation-dephosphorylation of enzymes. Annual Review of Biochemistry, 48, 923–959.
• Taylor, S. S., Buechler, J. A., & Yonemoto, W. (1990). cAMP-dependent protein kinase: framework for a diverse family of regulatory enzymes. Annual Review of Biochemistry, 59, 971–1005.
• Skalhegg, B. S., & Tasken, K. (2000). Specificity in the cAMP/PKA signaling pathway. Frontiers in Bioscience, 5, D678–D693.
• Bossis, I., & Stratakis, C. A. (2004). Minireview: PRKAR1A: normal and abnormal functions. Endocrinology, 145(12), 5459–5462.
• Kandel, E. R. (2012). The molecular biology of memory: cAMP, PKA, CRE, CREB-1, CREB-2, and CPEB. Molecular Brain, 5, 14.