蛋白激酶/磷酸酶調控信號通路和細胞機制
在蛋白激酶/磷酸酶被發現的初期，人們并沒有意識到蛋白激酶/磷酸酶與疾病之間的廣泛關聯性。1978 年第一個致癌基因勞斯氏肉瘤病毒 (Rous sarcoma virus, v-Src) 的轉化因子被證實是一種蛋白激酶。1981 年發現 PKC 可以被促進腫瘤發生的佛波酯 (PMA) 激活。這些發現證明了蛋白質磷酸化在疾病發生中的重要作用，也拉開了以蛋白激酶/磷酸酶為靶點的藥物開發的序幕。
蛋白激酶水解三磷酸腺苷 (ATP) 并將 ATP 末端磷酸基團 (PO4) 轉移到多種氨基酸殘基的羥基上，從而將蛋白質從疏水性修飾為親水性，磷酸化的氨基酸可與其他蛋白質相互作用，進而對蛋白復合物進行組裝和去組裝。
在真核生物中，磷酸化作用主要發生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上。大多數激酶同時作用于絲氨酸和蘇氨酸 (稱為絲氨酸/蘇氨酸激酶，protein serine/threonine kinases，PSKs)。PSKs 種類較多，包括蛋白激酶 A (protein kinase A, PKA)，蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC)，鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶 (Calcium/calmodulin dependent protein kinase, CaMK)，G 蛋白偶聯受體激酶，cGMP 依賴性蛋白激酶等。相對而言，作用于酪氨酸殘基的酪氨酸激酶 (Protein tyrosine kinases, PTKs) 比較少見，PTKs 以表皮生長因子受體 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 家族為典型代表。在原核生物中，最常見的磷酸化殘基則是組氨酸和天冬氨酸。
蛋白激酶具有相似的三維催化結構域。這個催化結構域由 250~300 個氨基酸組成，包括 2 個亞結構域，N 端和 C 端。N 端和 C 端通過肽支架連接，兩者之間形成一個深的凹槽，可以與肽底物和一個 ATP 分子結合。此外，蛋白激酶還具有非催化結構域，允許底物的附著和其他信號蛋白的募集。
蛋白激酶磷酸化可能觸發構象的轉換，導致蛋白的激活或失活。由磷酸化引起構象變化的一個經典例子是糖原磷酸化酶。糖原磷酸化酶非活化狀態和活化狀態的轉變由一個 Ser14 殘基的磷酸化引發。糖原磷酸化酶參與糖原分解過程，其磷酸化的異常會造成血糖水平異常，促進糖尿病的發生。糖原磷酸化酶的抑制劑 CPI-91149 就有用于 2 型糖尿病研究的潛能。
蛋白磷酸酶之間的結構差異性較大，并不像蛋白激酶一樣具有相似的三維催化結構域。磷蛋白磷酸酶 (phosphoprotein phosphatases, PPPs) 家族成員包括 PP1、PP2A、PP2B、PP4、PP5、PP6 和 PP7 蛋白，它們的催化亞基多與各種的調節亞基相結合。而以 PP2C 蛋白為代表金屬依賴型蛋白磷酸酶 (metal-dependent protein phosphatases, PPMs) 家族成員不具有調節亞基，并且催化過程依賴于金屬離子如 Mn2+/Mg2+。這一特點使得蛋白磷酸酶的識別工作較為困難。
鑒于多種蛋白激酶的活化與癌癥的發生相關，人們最初預計蛋白磷酸酶是腫瘤的抑制因子。PTEN 蛋白激酶通過脂質磷酸酶功能抑制磷脂酰肌醇-3-激酶 (PI3K) 的活性，被確定為重要的腫瘤抑制因子。除此之外，在酪氨酸磷酸酶 (protein tyrosine phosphatases, PTPs) 家族中發現了一些潛在的腫瘤抑制因子，包括 DEP1，PTPκ，PTPρ 以及 PTPγ 等。出人意料的是由 PTPN11 基因編碼的 SHP2 蛋白的激活會增加腫瘤的發生的風險。SHP2 蛋白激活 Ras 激酶，并使 ERK 激酶/絲裂原活化蛋白激酶活化，參與細胞生長和分化。對于蛋白磷酸酶的的相關研究仍處于起步階段，許多蛋白磷酸酶仍未被鑒定分析。
蛋白激酶/磷酸酶調控的信號通路參與了幾乎所有類型的癌癥的發生和發展。以酪氨酸激酶為例，EGFR 受體的酪氨酸殘基發生磷酸化，與下游的信號分子結合進而激活 Ras/Raf/MAPK 或 PI3K/Akt 信號通路，調節腫瘤細胞的存活，增殖和轉移。很多針對 EGFR 受體的抑制劑是迄今為止最成功的靶向癌癥治療實例之一，如 Erlotinib，Gefitinib，Lapatinib 等。Sorafenib 也是用于腫瘤治療的酪氨酸激酶抑制劑的典型代表之一，它是一種多靶點的酪氨酸激酶抑制劑，包括血管內皮生長因子受體 (參與血管發生與生長，創傷修復，炎癥等過程)，c-Kit 激酶和 Raf 激酶等，具有顯著的抗腫瘤血管生成以及誘導腫瘤細胞凋亡的作用。
雖然目前已有很多以蛋白激酶作為靶點的藥物上市，但是靶向磷酸酶的藥物卻很難找到。與磷酸酶的活性結構域結合的配體大多數是極性分子，而極性化合物通常不適合口服，生物利用度低，細胞膜滲透性也比較差。許多靶向磷酸酶活性結構域的藥物開發以失敗告終，不斷的失敗讓很多人認為磷酸酶是不適合作為藥物開發的靶點。
為攻克這一難題，研發人員嘗試尋找不與磷酸酶的活性結構域結合的配體。SHP2 蛋白 (由 PTPN11 基因編碼的酪氨酸磷酸酶，通過 MAPK 信號通路參與細胞生長和分化) 的抑制劑 TNO155 采用別構抑制的策略讓人們重新看到了靶向磷酸酶的藥物開發的希望。TNO155 與 SHP2 的非活性結構域結合引起 SHP2 的構象變化、從而抑制 SHP2 的酶活性。
蛋白激酶/磷酸酶的種類繁多，調節細胞眾多的生理過程。這意味著蛋白激酶/磷酸酶可以成為多種疾病的的藥物靶點，隨著人們對蛋白激酶/磷酸酶的了解加深，以蛋白激酶/磷酸酶為靶點的藥物開發也越發受到人們的重視。
總結：
蛋白激酶/磷酸酶調節蛋白質磷酸化，調控胞內多種信號通路，對于細胞行使正常生理功能有重要作用。蛋白激酶/磷酸酶的相關研究不僅幫助我們了解細胞各種生理活動機制，還對于疾病的治療具有重要的意義。
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參考文獻
1. Ardito F, Giuliani M, Perrone D, Troiano G, Lo Muzio L. The crucial role of protein phosphorylation in cell signaling and its use as targeted therapy (Review). Int J Mol Med. 2017 Aug;40(2):271-280.
2.Kobe B, Kampmann T, Forwood JK, Listwan P, Brinkworth RI. Substrate specificity of protein kinases and computational prediction of substrates. Biochim Biophys Acta. 2005 Dec 30;1754(1-2):200-9.
3. Miyamoto Y, Suyama K, Baba H. Recent Advances in Targeting the EGFR Signaling Pathway for the Treatment of Metastatic Colorectal Cancer. Int J Mol Sci. 2017 Apr 2;18(4):752.
4.Nishi H, Fong JH, Chang C, Teichmann SA, Panchenko AR. Regulation of protein-protein binding by coupling between phosphorylation and intrinsic disorder: analysis of human protein complexes. Mol Biosyst. 2013 Jul;9(7):1620-6.
5. Kornev AP, Taylor SS. Defining the conserved internal architecture of a protein kinase. Biochim Biophys Acta. 2010 Mar;1804(3):440-4.
6. Nishi H, Shaytan A, Panchenko AR. Physicochemical mechanisms of protein regulation by phosphorylation. Front Genet. 2014 Aug 7;5:270.
7. Shi Y. Serine/threonine phosphatases: mechanism through structure. Cell. 2009 Oct 30;139(3): 468-84.
8. Tonks NK. Protein tyrosine phosphatases: from genes, to function, to disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006 Nov;7(11):833-46.
9. Cohen P. Protein kinases-the major drug targets of the twenty-first century Nat Rev Drug Discov. 2002 Apr;1(4):309-15
磷酸化
蛋白磷酸化是一種調節眾多細胞生理過程的翻譯后修飾方式，調控細胞內多種信號通路。蛋白質磷酸化是一個可逆的動態過程，受到蛋白激酶 (protein kinases) 和磷酸酶 (phosphatases) 的競爭活性調節。磷酸化和去磷酸化常常是激活關鍵調控蛋白和控制信號通路傳導的開關。一旦磷酸化過程發生異常，相關信號通路會出現功能失調。因此，蛋白質磷酸化的異常與多種類疾病的發生存在關聯性，從癌癥到炎癥性疾病、糖尿病、傳染病、心血管疾病等。目前，大量的蛋白激酶和磷酸酶已經成為了藥物開發的熱門靶點。
圖 1. 磷酸化和去磷酸化過程[1]
蛋白激酶
蛋白激酶水解三磷酸腺苷 (ATP) 并將 ATP 末端磷酸基團 (PO4) 轉移到多種氨基酸殘基的羥基上，從而將蛋白質從疏水性修飾為親水性，磷酸化的氨基酸可與其他蛋白質相互作用，進而對蛋白復合物進行組裝和去組裝。
在真核生物中，磷酸化作用主要發生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上。大多數激酶同時作用于絲氨酸和蘇氨酸 (稱為絲氨酸/蘇氨酸激酶，protein serine/threonine kinases，PSKs)。PSKs 種類較多，包括蛋白激酶 A (protein kinase A, PKA)，蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC)，鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶 (Calcium/calmodulin dependent protein kinase, CaMK)，G 蛋白偶聯受體激酶，cGMP 依賴性蛋白激酶等。相對而言，作用于酪氨酸殘基的酪氨酸激酶 (Protein tyrosine kinases, PTKs) 比較少見，PTKs 以表皮生長因子受體 (epidermal growth factor receptor, EGFR) 家族為典型代表。在原核生物中，最常見的磷酸化殘基則是組氨酸和天冬氨酸。
蛋白激酶具有相似的三維催化結構域。這個催化結構域由 250~300 個氨基酸組成，包括 2 個亞結構域，N 端和 C 端。N 端和 C 端通過肽支架連接，兩者之間形成一個深的凹槽，可以與肽底物和一個 ATP 分子結合。此外，蛋白激酶還具有非催化結構域，允許底物的附著和其他信號蛋白的募集。
圖 2. 蛋白激酶 A 催化亞基結構示意圖[2]
N 端為淡藍色，C 端為紅色，肽底物為黃色，ATP 為橙色。
N 端為淡藍色，C 端為紅色，肽底物為黃色，ATP 為橙色。
蛋白激酶磷酸化可能觸發構象的轉換，導致蛋白的激活或失活。由磷酸化引起構象變化的一個經典例子是糖原磷酸化酶。糖原磷酸化酶非活化狀態和活化狀態的轉變由一個 Ser14 殘基的磷酸化引發。糖原磷酸化酶參與糖原分解過程，其磷酸化的異常會造成血糖水平異常，促進糖尿病的發生。糖原磷酸化酶的抑制劑 CPI-91149 就有用于 2 型糖尿病研究的潛能。
磷酸酶
磷酸酶具有與蛋白激酶相反的功能，通過將磷酸單酯水解成一個磷酸基團和一個帶有游離羥基的分子來去除磷酸化的蛋白質中的磷酸基團。去磷酸化作用同樣主要發生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基上。蛋白磷酸酶之間的結構差異性較大，并不像蛋白激酶一樣具有相似的三維催化結構域。磷蛋白磷酸酶 (phosphoprotein phosphatases, PPPs) 家族成員包括 PP1、PP2A、PP2B、PP4、PP5、PP6 和 PP7 蛋白，它們的催化亞基多與各種的調節亞基相結合。而以 PP2C 蛋白為代表金屬依賴型蛋白磷酸酶 (metal-dependent protein phosphatases, PPMs) 家族成員不具有調節亞基，并且催化過程依賴于金屬離子如 Mn2+/Mg2+。這一特點使得蛋白磷酸酶的識別工作較為困難。
鑒于多種蛋白激酶的活化與癌癥的發生相關，人們最初預計蛋白磷酸酶是腫瘤的抑制因子。PTEN 蛋白激酶通過脂質磷酸酶功能抑制磷脂酰肌醇-3-激酶 (PI3K) 的活性，被確定為重要的腫瘤抑制因子。除此之外，在酪氨酸磷酸酶 (protein tyrosine phosphatases, PTPs) 家族中發現了一些潛在的腫瘤抑制因子，包括 DEP1，PTPκ，PTPρ 以及 PTPγ 等。出人意料的是由 PTPN11 基因編碼的 SHP2 蛋白的激活會增加腫瘤的發生的風險。SHP2 蛋白激活 Ras 激酶，并使 ERK 激酶/絲裂原活化蛋白激酶活化，參與細胞生長和分化。對于蛋白磷酸酶的的相關研究仍處于起步階段，許多蛋白磷酸酶仍未被鑒定分析。
蛋白激酶/磷酸酶與藥物開發
前期，研發人員的思路是針對具有特定生理功能的蛋白激酶/磷酸酶開發出一系列的小分子藥物。例如 ROCK 激酶 (Rho-associated coiled-coil containing kinases) 屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，在調節肌動蛋白細胞骨架影響細胞運動、調節血管張力方面發揮重要作用。所以 ROCK 激酶被認為是許多心血管疾病發生的重要調節分子。事實上，ROCK 激酶的抑制劑 Fasudil (也叫作 HA1077 或 AT877) 確實被證實可用于改善如高血壓，心絞痛，缺血性卒中等心血管疾病癥狀。蛋白激酶/磷酸酶調控的信號通路參與了幾乎所有類型的癌癥的發生和發展。以酪氨酸激酶為例，EGFR 受體的酪氨酸殘基發生磷酸化，與下游的信號分子結合進而激活 Ras/Raf/MAPK 或 PI3K/Akt 信號通路，調節腫瘤細胞的存活，增殖和轉移。很多針對 EGFR 受體的抑制劑是迄今為止最成功的靶向癌癥治療實例之一，如 Erlotinib，Gefitinib，Lapatinib 等。Sorafenib 也是用于腫瘤治療的酪氨酸激酶抑制劑的典型代表之一，它是一種多靶點的酪氨酸激酶抑制劑，包括血管內皮生長因子受體 (參與血管發生與生長，創傷修復，炎癥等過程)，c-Kit 激酶和 Raf 激酶等，具有顯著的抗腫瘤血管生成以及誘導腫瘤細胞凋亡的作用。
圖 3. 靶向 EGFR 通路[3]
雖然目前已有很多以蛋白激酶作為靶點的藥物上市，但是靶向磷酸酶的藥物卻很難找到。與磷酸酶的活性結構域結合的配體大多數是極性分子，而極性化合物通常不適合口服，生物利用度低，細胞膜滲透性也比較差。許多靶向磷酸酶活性結構域的藥物開發以失敗告終，不斷的失敗讓很多人認為磷酸酶是不適合作為藥物開發的靶點。
為攻克這一難題，研發人員嘗試尋找不與磷酸酶的活性結構域結合的配體。SHP2 蛋白 (由 PTPN11 基因編碼的酪氨酸磷酸酶，通過 MAPK 信號通路參與細胞生長和分化) 的抑制劑 TNO155 采用別構抑制的策略讓人們重新看到了靶向磷酸酶的藥物開發的希望。TNO155 與 SHP2 的非活性結構域結合引起 SHP2 的構象變化、從而抑制 SHP2 的酶活性。
蛋白激酶/磷酸酶的種類繁多，調節細胞眾多的生理過程。這意味著蛋白激酶/磷酸酶可以成為多種疾病的的藥物靶點，隨著人們對蛋白激酶/磷酸酶的了解加深，以蛋白激酶/磷酸酶為靶點的藥物開發也越發受到人們的重視。
總結：
蛋白激酶/磷酸酶調節蛋白質磷酸化，調控胞內多種信號通路，對于細胞行使正常生理功能有重要作用。蛋白激酶/磷酸酶的相關研究不僅幫助我們了解細胞各種生理活動機制，還對于疾病的治療具有重要的意義。
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參考文獻
1. Ardito F, Giuliani M, Perrone D, Troiano G, Lo Muzio L. The crucial role of protein phosphorylation in cell signaling and its use as targeted therapy (Review). Int J Mol Med. 2017 Aug;40(2):271-280.
2.Kobe B, Kampmann T, Forwood JK, Listwan P, Brinkworth RI. Substrate specificity of protein kinases and computational prediction of substrates. Biochim Biophys Acta. 2005 Dec 30;1754(1-2):200-9.
3. Miyamoto Y, Suyama K, Baba H. Recent Advances in Targeting the EGFR Signaling Pathway for the Treatment of Metastatic Colorectal Cancer. Int J Mol Sci. 2017 Apr 2;18(4):752.
4.Nishi H, Fong JH, Chang C, Teichmann SA, Panchenko AR. Regulation of protein-protein binding by coupling between phosphorylation and intrinsic disorder: analysis of human protein complexes. Mol Biosyst. 2013 Jul;9(7):1620-6.
5. Kornev AP, Taylor SS. Defining the conserved internal architecture of a protein kinase. Biochim Biophys Acta. 2010 Mar;1804(3):440-4.
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7. Shi Y. Serine/threonine phosphatases: mechanism through structure. Cell. 2009 Oct 30;139(3): 468-84.
8. Tonks NK. Protein tyrosine phosphatases: from genes, to function, to disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2006 Nov;7(11):833-46.
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