Domeny SH2: Podstawy

Dominio SH2⁚ Podstawy

Domeny SH2 są wysoce konserwatywnymi modułami białkowymi, które odgrywają kluczową rolę w regulacji złożonych szlaków sygnałowych w komórkach eukariotycznych.

Domeny SH2 to małe, około 100-aminokwasowe struktury białkowe, które rozpoznają i wiążą specyficzne sekwencje aminokwasowe zawierające fosforylowaną tyrozynę (pTyr).

Wprowadzenie

Komórki eukariotyczne charakteryzują się złożonymi sieciami sygnałowymi, które koordynują szeroki zakres procesów komórkowych, od wzrostu i rozwoju po reakcje na bodźce środowiskowe. Kluczową rolę w tych złożonych szlakach odgrywają białka sygnałowe, które przekazują informacje poprzez interakcje białko-białko. Jednym z kluczowych mechanizmów regulujących te interakcje jest fosforylacja tyrozyny, proces katalizowany przez kinazy tyrozynowe. Fosforylowane reszty tyrozyny (pTyr) działają jako specyficzne “znaczniki” rozpoznawane przez domeny białkowe, które wiążą pTyr, takie jak domeny SH2 (Src homology 2).

Domeny SH2 są wysoce konserwatywnymi modułami białkowymi, które odgrywają kluczową rolę w regulacji złożonych szlaków sygnałowych w komórkach eukariotycznych. Ich zdolność do specyficznego rozpoznawania i wiązania pTyr pozwala na precyzyjne ukierunkowanie interakcji białko-białko, co jest niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania szlaków sygnałowych.

Definicja domeny SH2

Domeny SH2 to małe, około 100-aminokwasowe struktury białkowe, które rozpoznają i wiążą specyficzne sekwencje aminokwasowe zawierające fosforylowaną tyrozynę (pTyr). Te domeny są wysoce konserwatywne w ewolucji, co świadczy o ich fundamentalnym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania komórek. Domeny SH2 zostały po raz pierwszy zidentyfikowane w białku Src, prototypowym członku rodziny kinaz tyrozynowych, które odgrywają kluczową rolę w regulacji wzrostu i rozwoju komórek. Od tego czasu domeny SH2 zostały znalezione w szerokiej gamie białek, w tym kinaz, adaptorów i fosfataz, wskazując na ich wszechstronną rolę w sygnalizacji komórkowej.

Domeny SH2 działają jako “czytniki” dla fosforylowanych tyrozyn, umożliwiając białkom zawierającym te domeny wiązanie się z innymi białkami, które zostały zmodyfikowane przez fosforylację. Ta interakcja odgrywa kluczową rolę w przekazywaniu sygnałów komórkowych, ponieważ pozwala na tworzenie kompleksów białkowych, które regulują aktywność enzymatyczną, translokację białek i inne procesy komórkowe.

Struktura i Funkcja Domeny SH2

Domeny SH2 charakteryzują się unikalną strukturą trójwymiarową, która umożliwia im specyficzne rozpoznawanie i wiązanie fosforylowanych tyrozyn.

Wiązanie domeny SH2 do pTyr odbywa się poprzez szereg interakcji, w tym wiązania wodorowe, interakcje hydrofobowe i elektrostatyczne.

Specyficzność wiązania domeny SH2 zależy od sekwencji aminokwasowej otaczającej pTyr, co pozwala na selektywne rozpoznawanie różnych substratów.

Struktura domeny SH2

Domeny SH2 charakteryzują się unikalną strukturą trójwymiarową, która umożliwia im specyficzne rozpoznawanie i wiązanie fosforylowanych tyrozyn. Struktura domeny SH2 składa się z dwóch globularnych domen, połączonych elastycznym łącznikiem. Pierwsza domena, zwana domeną N-końcową, zawiera sześć alfa-helis, które tworzą strukturę podobną do “palca”. Druga domena, zwana domeną C-końcową, zawiera cztery alfa-helisy i jedną beta-harmonijkę. Ta domena jest odpowiedzialna za wiązanie pTyr.

Pomiędzy dwiema domenami znajduje się elastyczny łącznik, który umożliwia domenie SH2 przyjmowanie różnych konformacji, co jest niezbędne dla jej zdolności do wiązania różnych substratów. W obrębie domeny C-końcowej znajduje się tzw. “kieszeń wiążąca”, która jest odpowiedzialna za specyficzne rozpoznawanie i wiązanie pTyr. Ta kieszeń zawiera szereg reszt aminokwasowych, które tworzą wiązania wodorowe, interakcje hydrofobowe i elektrostatyczne z pTyr i otaczającymi ją aminokwasami.

Struktura domeny SH2 jest niezwykle konserwatywna w ewolucji, co świadczy o jej fundamentalnym znaczeniu dla prawidłowego funkcjonowania komórek. Ta konserwatywna struktura zapewnia specyficzne rozpoznawanie i wiązanie pTyr, co jest niezbędne dla prawidłowego przekazywania sygnałów komórkowych.

Mechanizm wiązania domeny SH2

Wiązanie domeny SH2 do pTyr odbywa się poprzez szereg interakcji, w tym wiązania wodorowe, interakcje hydrofobowe i elektrostatyczne. Domeny SH2 rozpoznają i wiążą nie tylko samą pTyr, ale również sekwencję aminokwasową otaczającą ją, co nadaje specyficzność wiązania. Ta specyficzność jest kluczowa dla prawidłowego funkcjonowania szlaków sygnałowych, ponieważ pozwala na selektywne tworzenie kompleksów białkowych, które regulują aktywność enzymatyczną, translokację białek i inne procesy komórkowe.

Głównym elementem wiązania jest “kieszeń wiążąca” w domenie C-końcowej, która zawiera szereg reszt aminokwasowych, które tworzą wiązania wodorowe, interakcje hydrofobowe i elektrostatyczne z pTyr i otaczającymi ją aminokwasami. Te interakcje są wysoce specyficzne i zależą od sekwencji aminokwasowej otaczającej pTyr. Domeny SH2 wykazują różne preferencje dla różnych sekwencji aminokwasowych, co pozwala na rozpoznawanie i wiązanie różnych substratów.

Wiązanie domeny SH2 do pTyr jest procesem dynamicznym, który jest regulowany przez szereg czynników, w tym koncentrację substratu, obecność innych białek i modyfikacje potranslacyjne. Ta dynamika jest kluczowa dla prawidłowego funkcjonowania szlaków sygnałowych, ponieważ pozwala na szybkie i precyzyjne odpowiedzi na bodźce środowiskowe.

Specyficzność wiązania

Specyficzność wiązania domeny SH2 zależy od sekwencji aminokwasowej otaczającej pTyr, co pozwala na selektywne rozpoznawanie różnych substratów. Domeny SH2 nie wiążą się do wszystkich pTyr w sposób jednakowy, a ich specyficzność wiązania jest określona przez sekwencję aminokwasową, która znajduje się w pobliżu pTyr, w tzw. “motywie wiążącym”. Motyw wiążący jest zazwyczaj krótką sekwencją 3-6 aminokwasów, która zawiera pTyr i otaczające ją reszty.

Istnieje wiele różnych motywów wiążących dla domen SH2, a każda domena SH2 wykazuje specyficzne preferencje dla konkretnych motywów. Na przykład, niektóre domeny SH2 preferują motywy bogate w reszty kwasowe, podczas gdy inne preferują motywy zawierające reszty zasadowe. Ta specyficzność wiązania jest kluczowa dla prawidłowego funkcjonowania szlaków sygnałowych, ponieważ pozwala na selektywne tworzenie kompleksów białkowych, które regulują aktywność enzymatyczną, translokację białek i inne procesy komórkowe.

Badania strukturalne wykazały, że kieszeń wiążąca domeny SH2 jest w stanie rozpoznać i związać różne motywy wiążące, co tłumaczy szeroką gamę substratów dla różnych domen SH2. Ta elastyczność wiązania pozwala na tworzenie złożonych sieci sygnałowych, w których różne domeny SH2 mogą współdziałać z wieloma różnymi białkami, tworząc złożone sieci regulacyjne.

Rola domeny SH2 w sygnalizacji komórkowej

Receptorowe kinazy tyrozynowe (RTK)

Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w szlakach sygnałowych zależnych od receptorowych kinaz tyrozynowych (RTK);

Domeny SH2 umożliwiają tworzenie kompleksów białkowych, które regulują aktywność enzymatyczną i translokację białek w szlakach sygnałowych zależnych od RTK.

Domeny SH2 są często obecne w białkach adaptorowych, które łączą różne białka sygnałowe w kompleksy.

Domeny SH2 odgrywają rolę w regulacji aktywności kinaz i fosfataz, które kontrolują fosforylację i defosforylację białek.

Receptorowe kinazy tyrozynowe (RTK)

Receptorowe kinazy tyrozynowe (RTK) to grupa białek błonowych, które odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu sygnałów z zewnątrz komórki do jej wnętrza. RTK są odpowiedzialne za rozpoznawanie i wiązanie czynników wzrostu, cytokin i innych ligandów, co prowadzi do aktywacji ich funkcji kinazowej. Aktywacja RTK skutkuje fosforylacją tyrozynową reszt aminokwasowych w ich domenach cytoplazmatycznych, co tworzy miejsca wiązania dla domen SH2.

Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w szlakach sygnałowych zależnych od RTK, ponieważ umożliwiają tworzenie kompleksów białkowych, które regulują aktywność enzymatyczną i translokację białek. Na przykład, domeny SH2 w białkach adaptorowych, takich jak Grb2, mogą wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w aktywnych RTK, co rekruituje inne białka sygnałowe do kompleksu RTK i uruchamia kaskadę sygnałową.

Domeny SH2 odgrywają również rolę w regulacji aktywności kinaz i fosfataz, które kontrolują fosforylację i defosforylację białek w szlakach sygnałowych zależnych od RTK. Na przykład, domena SH2 w kinazie tyrozynowej Src może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w białkach adaptorowych, co aktywuje Src i uruchamia dalszą kaskadę sygnałową.

Szlaki sygnałowe zależne od RTK

Szlaki sygnałowe zależne od RTK są kluczowe dla wielu procesów komórkowych, w tym wzrostu, rozwoju, proliferacji, różnicowania i przeżycia. Po aktywacji RTK, domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w przekazywaniu sygnałów poprzez rekrutację i aktywację białek sygnałowych. Domeny SH2 w białkach adaptorowych, takich jak Grb2 i Shc, wiążą się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w aktywnych RTK, co uruchamia kaskadę sygnałową. Te białka adaptorowe z kolei rekruitują inne białka sygnałowe, takie jak kinazy tyrozynowe (np. Sos) i białka związane z wymianą guaniny (GEF) (np. RasGEF), które aktywują dalsze szlaki sygnałowe.

Jednym z najważniejszych szlaków sygnałowych zależnych od RTK jest szlak MAPK (mitogen-activated protein kinase). W tym szlaku, domeny SH2 odgrywają rolę w aktywacji kinazy Raf, która jest kluczowym elementem szlaku MAPK. Aktywacja Raf prowadzi do fosforylacji i aktywacji kinazy MEK, która z kolei aktywuje kinazę ERK. Kinaza ERK jest odpowiedzialna za fosforylację wielu białek, które regulują transkrypcję genów, proliferację komórek i inne procesy komórkowe.

Domeny SH2 odgrywają również rolę w innych szlakach sygnałowych zależnych od RTK, takich jak szlak PI3K/Akt i szlak JAK/STAT. Te szlaki są zaangażowane w regulację wzrostu, rozwoju, przeżycia i odpowiedzi immunologicznej.

Adaptorowe białka

Adaptorowe białka to grupa białek, które nie posiadają własnej aktywności enzymatycznej, ale pełnią rolę pośredników w szlakach sygnałowych. Ich głównym zadaniem jest łączenie różnych białek sygnałowych w kompleksy, co umożliwia przekazywanie sygnałów. Adaptorowe białka często zawierają wiele domen wiążących, w tym domeny SH2, które umożliwiają im wiązanie się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w innych białkach. Domeny SH2 w białkach adaptorowych odgrywają kluczową rolę w tworzeniu platform dla interakcji białko-białko, co jest niezbędne dla prawidłowego funkcjonowania szlaków sygnałowych.

Przykładem adaptorowego białka z domeną SH2 jest Grb2. Grb2 zawiera dwie domeny SH2 i jedną domenę SH3, która wiąże się z białkami zawierającymi bogate w prolinę motywy. Grb2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w aktywnych RTK poprzez swoje domeny SH2, a następnie rekrutować inne białka sygnałowe, takie jak Sos, poprzez swoją domenę SH3. Sos to GEF, które aktywuje białko Ras, co uruchamia dalszą kaskadę sygnałową.

Inne adaptorowe białka z domenami SH2 obejmują Shc, Gab1 i Crk. Te białka odgrywają rolę w różnych szlakach sygnałowych, w tym szlakach zależnych od RTK, szlakach cytokinowych i szlakach odpowiedzi na stres. Domeny SH2 w tych białkach umożliwiają im wiązanie się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w różnych białkach sygnałowych, co tworzy platformy dla interakcji białko-białko i uruchamia dalsze kaskady sygnałowe.

Kinazy i fosfatazy

Domeny SH2 odgrywają również kluczową rolę w regulacji aktywności kinaz i fosfataz, które kontrolują fosforylację i defosforylację białek. Fosforylacja tyrozynowa jest kluczowym mechanizmem regulacji aktywności wielu białek, w tym enzymów, czynników transkrypcyjnych i białek szkieletowych. Kinazy tyrozynowe katalizują fosforylację tyrozynową, podczas gdy fosfatazy tyrozynowe katalizują defosforylację tyrozynową. Domeny SH2 w kinazach i fosfatazach umożliwiają im wiązanie się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w innych białkach, co może aktywować lub dezaktywować ich aktywność enzymatyczną.

Na przykład, domena SH2 w kinazie tyrozynowej Src może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w białkach adaptorowych, co aktywuje Src i uruchamia dalszą kaskadę sygnałową. Z drugiej strony, domena SH2 w fosfatazie tyrozynowej SHP2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorach czynników wzrostu, co dezaktywuje SHP2 i hamuje dalszą kaskadę sygnałową.

Domeny SH2 odgrywają również rolę w tworzeniu kompleksów białkowych, które regulują aktywność kinaz i fosfataz. Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Grb2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorze czynnika wzrostu, a następnie rekrutować kinazę tyrozynową Sos, co aktywuje Sos i uruchamia dalszą kaskadę sygnałową.

Funkcje domeny SH2 w różnych procesach komórkowych

Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w regulacji wzrostu i rozwoju komórek, poprzez udział w szlakach sygnałowych zależnych od czynników wzrostu.

Domeny SH2 są zaangażowane w regulację odpowiedzi immunologicznej, poprzez udział w szlakach sygnałowych cytokin i receptorów komórek odpornościowych.

Nieprawidłowe funkcjonowanie domen SH2 może prowadzić do rozwoju nowotworów, poprzez zaburzenie regulacji wzrostu i proliferacji komórek.

Domeny SH2 odgrywają rolę w regulacji cyklu komórkowego i apoptozy, poprzez udział w szlakach sygnałowych kontrolujących te procesy.

Wzrost i rozwój komórek

Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w regulacji wzrostu i rozwoju komórek, poprzez udział w szlakach sygnałowych zależnych od czynników wzrostu. Czynniki wzrostu to grupa cząsteczek, które stymulują wzrost i proliferację komórek, a także różnicowanie i przeżycie. Czynniki wzrostu wiążą się z receptorami na powierzchni komórek, co aktywuje kaskady sygnałowe zależne od RTK. Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w tych kaskadach sygnałowych, poprzez rekrutację i aktywację białek sygnałowych, takich jak kinazy tyrozynowe, białka adaptorowe i czynniki transkrypcyjne.

Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Grb2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w aktywnych RTK, co rekruituje kinazę tyrozynową Sos, która aktywuje białko Ras. Aktywacja Ras uruchamia dalszą kaskadę sygnałową, która prowadzi do aktywacji czynników transkrypcyjnych, takich jak c-Fos i c-Jun, które regulują ekspresję genów zaangażowanych w wzrost i proliferację komórek.

Domeny SH2 są również zaangażowane w regulację innych procesów komórkowych, takich jak różnicowanie i przeżycie komórek. Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Shc może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorach czynników wzrostu, co aktywuje szlak PI3K/Akt, który jest zaangażowany w regulację przeżycia komórek.

Układ odpornościowy

Domeny SH2 są zaangażowane w regulację odpowiedzi immunologicznej, poprzez udział w szlakach sygnałowych cytokin i receptorów komórek odpornościowych. Cytokiny to grupa cząsteczek, które regulują wzrost, różnicowanie i aktywację komórek odpornościowych. Cytokiny wiążą się z receptorami na powierzchni komórek odpornościowych, co aktywuje kaskady sygnałowe zależne od kinaz tyrozynowych. Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w tych kaskadach sygnałowych, poprzez rekrutację i aktywację białek sygnałowych, takich jak kinazy tyrozynowe, białka adaptorowe i czynniki transkrypcyjne.

Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Grb2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorze cytokiny, co rekruituje kinazę tyrozynową Sos, która aktywuje białko Ras. Aktywacja Ras uruchamia dalszą kaskadę sygnałową, która prowadzi do aktywacji czynników transkrypcyjnych, takich jak NF-κB i STAT, które regulują ekspresję genów zaangażowanych w odpowiedź immunologiczną.

Domeny SH2 są również zaangażowane w regulację aktywności komórek odpornościowych, takich jak limfocyty T i limfocyty B. Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym LAT może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorze komórek T, co aktywuje szlak MAPK, który jest zaangażowany w aktywację limfocytów T. Domeny SH2 odgrywają więc kluczową rolę w regulacji odpowiedzi immunologicznej, poprzez udział w szlakach sygnałowych cytokin i receptorów komórek odpornościowych.

Nowotwory

Nieprawidłowe funkcjonowanie domen SH2 może prowadzić do rozwoju nowotworów, poprzez zaburzenie regulacji wzrostu i proliferacji komórek. Domeny SH2 odgrywają kluczową rolę w szlakach sygnałowych zależnych od czynników wzrostu, które są często nadmiernie aktywne w komórkach nowotworowych. Mutacje w domenach SH2 mogą prowadzić do zwiększonej aktywności kinaz tyrozynowych, białek adaptorowych i czynników transkrypcyjnych, co prowadzi do niekontrolowanego wzrostu i proliferacji komórek.

Na przykład, mutacje w domenie SH2 kinazy tyrozynowej Src są często obserwowane w nowotworach, takich jak rak piersi, rak płuc i rak jelita grubego. Te mutacje mogą prowadzić do zwiększonej aktywności Src, co stymuluje wzrost i proliferację komórek nowotworowych. Podobnie, mutacje w domenie SH2 białka adaptorowego Grb2 mogą prowadzić do zwiększonej aktywności szlaku Ras/MAPK, co jest zaangażowane w rozwój nowotworów.

Domeny SH2 są również zaangażowane w regulację apoptozy, procesu programowanej śmierci komórkowej, który jest kluczowy dla eliminacji komórek uszkodzonych lub nieprawidłowych. Nieprawidłowe funkcjonowanie domen SH2 może prowadzić do zaburzenia apoptozy, co może przyczyniać się do rozwoju nowotworów. Na przykład, mutacje w domenie SH2 białka adaptorowego Shc mogą prowadzić do zwiększonej aktywności szlaku PI3K/Akt, który jest zaangażowany w hamowanie apoptozy. W konsekwencji, komórki nowotworowe mogą uniknąć apoptozy i nadal rosnąć i proliferować.

Cykl komórkowy i apoptoza

Domeny SH2 odgrywają rolę w regulacji cyklu komórkowego i apoptozy, poprzez udział w szlakach sygnałowych kontrolujących te procesy. Cykl komórkowy to uporządkowany zestaw etapów, które prowadzą do podziału komórki. Apoptoza to programowana śmierć komórkowa, która jest kluczowa dla eliminacji komórek uszkodzonych lub nieprawidłowych. Domeny SH2 są zaangażowane w regulację obu tych procesów, poprzez wiązanie się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w białkach zaangażowanych w cykl komórkowy i apoptozę.

Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Grb2 może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorach czynników wzrostu, co aktywuje szlak Ras/MAPK, który jest zaangażowany w regulację cyklu komórkowego. Domeny SH2 są również zaangażowane w regulację aktywności kinaz cyklinozależnych (CDK), które są kluczowymi regulatorami cyklu komórkowego. CDK fosforylują różne białka, które regulują przejście między fazami cyklu komórkowego. Domeny SH2 w białkach regulatorowych CDK mogą wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w CDK, co aktywuje lub dezaktywuje ich aktywność.

Domeny SH2 odgrywają również rolę w regulacji apoptozy. Na przykład, domena SH2 w białku adaptorowym Shc może wiązać się z fosforylowanymi tyrozyną resztami w receptorach śmierci, co aktywuje szlak kaspazy, który jest kluczowym elementem apoptozy. Domeny SH2 są więc zaangażowane w regulację zarówno cyklu komórkowego, jak i apoptozy, poprzez udział w szlakach sygnałowych kontrolujących te procesy.