Протеинкиназа C¶

Протеинкиназа C (ПКС, PKC) — это семейство ферментов из группы серин/треониновых протеинкиназ, которые катализируют фосфорилирование гидроксильных групп серина и треонина в белках-мишенях. ПКС играет центральную роль в передаче внутриклеточных сигналов, регулируя такие процессы, как пролиферация, дифференцировка, апоптоз, сокращение мышц, секреция гормонов и нейротрансмиттеров, а также синаптическая пластичность. Ферменты этого семейства активируются вторичными мессенджерами, прежде всего диацилглицеролом (ДАГ) и ионами кальция, и участвуют в сигнальных каскадах, связанных с рецепторами, сопряжёнными с G-белками, и рецепторными тирозинкиназами.

¶История открытия

Протеинкиназа C была впервые обнаружена и охарактеризована в 1977 году японскими исследователями Ясутакой Нисидзукой и его коллегами из Университета Кобе. Они выделили из мозга крыс протеинкиназу, активность которой зависела от протеолиза, но позже выяснили, что в физиологических условиях фермент активируется фосфатидилсерином и кальцием. В 1984 году группа Нисидзуки показала, что ПКС активируется диацилглицеролом, образующимся при гидролизе фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата (PIP₂) фосфолипазой C. Это открытие связало ПКС с сигнальными путями, инициируемыми рецепторами, сопряжёнными с G-белками. За работы по открытию ПКС и её роли в сигнальной трансдукции Нисидзука был удостоен премии Альберта Ласкера в 1989 году и премии Киото в 1994 году.

¶Классификация и структура

Семейство протеинкиназы C у млекопитающих включает не менее 12 изоформ, которые разделяют на три подсемейства на основе их структурных особенностей и способов активации:

¶Классические (cPKC)

• Изоформы: α, βI, βII, γ.
• Структура: содержат N-концевой регуляторный домен, включающий C1-домен (связывает диацилглицерол и форболовые эфиры) и C2-домен (связывает фосфатидилсерин в присутствии кальция).
• Активация: требуют для активации кальций, диацилглицерол (ДАГ) и фосфатидилсерин.
• Локализация: экспрессируются повсеместно, но изоформа γ преимущественно встречается в центральной нервной системе.

¶Новые (nPKC)

• Изоформы: δ, ε, η, θ.
• Структура: имеют C1-домен и C2-подобный домен, который не связывает кальций.
• Активация: активируются ДАГ и фосфатидилсерином, но не требуют кальция.
• Локализация: изоформа θ характерна для скелетных мышц и Т-лимфоцитов; η — для эпителиальных тканей.

¶Атипичные (aPKC)

• Изоформы: ζ, ι/λ (у человека ι, у мышей λ).
• Структура: содержат C1-домен, который не связывает ДАГ, и PB1-домен (Phox/Bem1p), участвующий в белок-белковых взаимодействиях.
• Активация: активируются фосфатидилсерином и другими липидами (например, фосфатидилинозитол-3,4,5-трифосфатом), но не требуют ДАГ или кальция.
• Функция: участвуют в поляризации клеток, регуляции цитоскелета и сигналинге через mTOR.

¶Структура каталитического домена

Все изоформы ПКС имеют консервативный каталитический домен (C-концевой), который содержит АТФ-связывающий сайт и сайт связывания субстрата. Каталитический домен отвечает за перенос γ-фосфата от АТФ на гидроксильную группу серина или треонина в белке-мишени.

¶Механизм активации

В покоящейся клетке ПКС находится в неактивной конформации, при которой псевдосубстратный участок (аутоингибиторный домен) блокирует активный центр фермента. Активация происходит в несколько этапов:

1. Связывание кальция (для классических изоформ): повышение внутриклеточной концентрации кальция (например, при открытии кальциевых каналов или высвобождении из эндоплазматического ретикулума) приводит к связыванию кальция с C2-доменом, что способствует транслокации ПКС к плазматической мембране.
2. Связывание с мембраной: ПКС взаимодействует с фосфатидилсерином на внутренней стороне мембраны. Для классических и новых изоформ этот процесс усиливается при связывании ДАГ с C1-доменом.
3. Конформационные изменения: связывание липидов вызывает смещение псевдосубстратного участка, открывая каталитический сайт. Фермент становится активным и фосфорилирует белки-мишени.
4. Фосфорилирование активационных сайтов: для полной активности ПКС требуется предварительное фосфорилирование по трём консервативным сайтам (активационная петля, поворотный мотив и гидрофобный мотив), которое осуществляется другими киназами, такими как PDK1 (3-фосфоиномитид-зависимая протеинкиназа-1).

¶Физиологические функции

¶Регуляция клеточного цикла и пролиферации

ПКС участвует в передаче сигналов от факторов роста, таких как эпидермальный фактор роста (EGF) и тромбоцитарный фактор роста (PDGF). Активация ПКС может стимулировать пролиферацию клеток через фосфорилирование белков семейства MAPK (митоген-активируемые протеинкиназы) и транскрипционных факторов, таких как AP-1. Однако в зависимости от изоформы и контекста ПКС может также ингибировать пролиферацию, например, изоформа δ часто участвует в остановке клеточного цикла.

¶Апоптоз

Некоторые изоформы ПКС (особенно δ и θ) играют роль в индукции апоптоза. ПКСδ может фосфорилировать и активировать проапоптотические белки, такие как Bad, и способствовать высвобождению цитохрома c из митохондрий. В то же время изоформа ε обладает антиапоптотическими свойствами, защищая клетки от гибели.

¶Синаптическая пластичность и память

В нейронах ПКС (особенно изоформы α, β, γ) участвует в долговременной потенциации (LTP) — механизме, лежащем в основе обучения и памяти. ПКС фосфорилирует рецепторы NMDA и AMPA, усиливая их активность, а также регулирует высвобождение нейротрансмиттеров из пресинаптических терминалей.

¶Сокращение гладких мышц

ПКС участвует в регуляции сокращения гладких мышц сосудов, бронхов и желудочно-кишечного тракта. Она фосфорилирует белки, регулирующие активность миозина, и влияет на чувствительность сократительного аппарата к кальцию.

¶Иммунный ответ

В Т-лимфоцитах изоформа θ ПКС критически важна для активации Т-клеточного рецептора (TCR) и последующей пролиферации и продукции цитокинов. ПКСθ фосфорилирует белки сигнального каскада NF-κB, что приводит к активации транскрипции генов иммунного ответа.

¶Роль в патологии

¶Рак

ПКС играет двойственную роль в онкогенезе. С одной стороны, активация ПКС может способствовать росту опухолей, особенно при раке молочной железы, лёгких и толстой кишки. Форболовые эфиры, которые являются мощными активаторами ПКС, известны как промоторы опухолей. С другой стороны, некоторые изоформы, такие как ПКСδ, могут подавлять рост опухолей и индуцировать апоптоз. Мутации и амплификации генов ПКС (например, PRKCA) обнаружены при некоторых типах рака, но их роль до конца не выяснена.

¶Сахарный диабет

ПКС участвует в патогенезе диабетических осложнений, особенно нефропатии, ретинопатии и нейропатии. Гипергликемия активирует ПКС через увеличение синтеза ДАГ, что приводит к усилению экспрессии факторов роста (например, VEGF) и накоплению внеклеточного матрикса в почках и сетчатке.

¶Нейродегенеративные заболевания

Дисрегуляция ПКС связана с болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и ишемическим инсультом. При болезни Альцгеймера снижение активности ПКС может нарушать фосфорилирование тау-белка и способствовать образованию нейрофибриллярных клубков. При ишемии активация ПКС может усиливать эксайтотоксичность и гибель нейронов.

¶Сердечно-сосудистые заболевания

ПКС участвует в развитии гипертрофии миокарда, фиброза и сердечной недостаточности. Активация ПКСβ в кардиомиоцитах стимулирует рост клеток и экспрессию генов, характерных для гипертрофии. Изоформа ε, напротив, может оказывать кардиопротективное действие при ишемии-реперфузии.

¶Ингибиторы и фармакология

Разработка ингибиторов ПКС является перспективным направлением для лечения рака и других заболеваний. Наиболее известные ингибиторы:

• Стоуроспорин — неселективный ингибитор протеинкиназ, включая ПКС, но из-за низкой селективности имеет серьёзные побочные эффекты.
• Мидостаурин (PKC412) — ингибитор ПКС, одобренный для лечения острого миелоидного лейкоза с мутацией FLT3.
• Энзастаурин (LY317615) — селективный ингибитор ПКСβ, проходил клинические испытания для лечения рака толстой кишки и диабетической ретинопатии.
• Бриостатин-1 — макроциклический лактон, который активирует ПКС, но при длительном воздействии вызывает её деградацию, что используется в экспериментальной терапии рака.

Активаторы ПКС, такие как форболовые эфиры (например, форбол-12-миристат-13-ацетат, ТРА), используются в лабораторных исследованиях, но не применяются в клинике из-за токсичности и промоторной активности.

¶Методы исследования

Для изучения ПКС используются:

• Биохимические методы: измерение киназной активности с использованием радиоактивного [γ-³²P]АТФ и пептидных субстратов.
• Иммуноцитохимия: визуализация транслокации ПКС к мембране с помощью антител к изоформам.
• Генетические методы: нокаутные мыши (например, для ПКСγ — нарушение синаптической пластичности) и РНК-интерференция.
• Фармакологические методы: использование ингибиторов и активаторов для блокирования или стимуляции активности.

¶Источники

• Nishizuka Y. The role of protein kinase C in cell surface signal transduction and tumour promotion // Nature. — 1984. — Vol. 308, № 5961. — P. 693–698.
• Newton A. C. Protein kinase C: structure, function, and regulation // Journal of Biological Chemistry. — 1995. — Vol. 270, № 48. — P. 28495–28498.
• Steinberg S. F. Structural basis of protein kinase C isoform function // Physiological Reviews. — 2008. — Vol. 88, № 4. — P. 1341–1378.
• Griner E. M., Kazanietz M. G. Protein kinase C and other diacylglycerol effectors in cancer // Nature Reviews Cancer. — 2007. — Vol. 7, № 4. — P. 281–294.
• Mochly-Rosen D., Das K., Grimes K. V. Protein kinase C, an elusive therapeutic target? // Nature Reviews Drug Discovery. — 2012. — Vol. 11, № 12. — P. 937–957.