• Каркасные структуры организуют группы сигнальных белков и могут обеспечивать специфичность процессов передачи сигналов, запрещая функционирование компонентов имеющих несколько партнеров
• Каркасные структуры увеличивают локальную концентрацию сигнальных белков
• Каркасные структуры размещают пути передачи сигналов на местах их функционирования
Белки, участвующие в процессах передачи сигнала, часто локализуются в клетке вместе, что облегчает их взаимодействие и сводит к минимуму связывание с другими белками. В каркасных структурах клетки находится много путей передачи сигнала. Для увеличения эффективности системы передачи сигнала, каркасные структуры связывают несколько ее компонентов в мультибелковые комплексы.
Каркасные структуры облегчают взаимодействие белков, обладающих низким сродством друг к другу, способствуют активации (а часто и инактивации) связанных компонентов и располагают сигнальные белки в местах их функционирования. Совместная локализация белков может укреплять или регулировать их взаимодействие, и локализация белков в каркасных структурах при обработке сигнала часто определяет его выходную мощность.
Сайты связывания белков каркасных структур часто локализованы в определенных модульных доменах, ответственных за связывание белков. Это создает впечатление, что роль структуры белка просто состоит в том, чтобы удерживать вместе компоненты пути передачи сигнала. Действительно, многие каркасные белки не обладают ферментативной активностью, однако некоторые ферменты сигнальных путей выполняют роль каркасных белков.
Связывание белка с каркасной структурой облегчает передачу сигнала за счет увеличения локальной концентрации компонентов, и поэтому диффузия или миграция молекул к соответствующим сайтам не является необходимой. В фоторецепторных клетках Drosophila связывание сигнальных белков с каркасными структурами абсолютно необходимо для быстрой передачи сигнала. Эти клетки содержат каркасный белок InaD, в котором присутствует пять модульных доменов связывания, известных под названием домены PDZ. Каждый из этих доменов связывается с С-концевой последовательностью белка-мишени, тем самым обеспечивая взаимодействие между белками комплекса.
На рисунке ниже представлена модель, описывающая участие InaD в организации сигнальных белков. Утрата белка InaD в результате мутации приводит к появлению слепых мух, и выпадение одного из доменов PDZ приводит к появлению насекомых с дефектами зрения, характерными для белка, связывающегося с отсутствующим доменом.
Еще одним примером является белок Ste5p, представляющий собой каркасный белок для процессов, формирующих ответную реакцию спаривания, индуцируемую феромонами у S. cerevisiae. На рисунке ниже показано, как Ste5p связывается и организует компоненты каскада протеинкиназы, активируемой митогенами (МАРК). Этот каскад включает МАРЗК (Ste11p), МАР2К (Ste7p) и МАРК (Fus3p). (Подробнее о МАРК каскаде см. 1432 MAPK занимают, центральное место во многих путях передачи сигналов.) Белок Ste5p сохраняет свои функции, даже если положение сайтов связывания киназ сдвигается вдоль полипептидной цепи.
Это указывает на то, что основная роль белка состоит в сближении ферментов, а не в точной их ориентации. Белок Ste5p также связывается с βγ субъединицами гетеротримера белка G, который принимает участие в генерации ответа на феромоны, связывая мембранный сигнал с внутриклеточными передатчиками. Дрожжи, у которых белок Ste5p отсутствует, утрачивают способность к спариванию, что свидетельствует об участии этого белка в выполнении данной биологической функции (но не всех), которая реализуется по конкретному пути передачи сигнала.
Наряду с обеспечением передачи сигнала по собственным путям, каркасные структуры усиливают специфичность сигнальных путей за счет взаимодействий с другими сигнальными белками. Таким образом, они изолируют компоненты системы передачи сигналов от их активации чужеродными сигналами и от генерации неправильного ответа Например, у дрожжей пути реализации сигнала от феромонов и при нарушении осмолярности имеют общие компоненты, включая МАР3К Ste11р, однако каждый путь является специфичным, поскольку в нем участвуют различные каркасные структуры, ограничивающие передачу сигнала.
Напротив, при избытке каркасных структур, передача сигнала может тормозиться, поскольку индивидуальные сигнальные компоненты будут чаще связываться с определенными каркасными белками и не будут образовывать функциональный комплекс. Такое разбавление каркасными структурами разделяет, а не концентрирует компоненты системы передачи сигналов, что предотвращает их взаимодействие, необходимое для фунционирования.
Каркасный белок InaD организует белки, передающие зрительные сигналы на фоторецепторные клетки дрозофилы.
Этот белок находится в фоторецепторной мембране и согласует световую чувствительность с передачей зрительного сигнала.
В глазу беспозвоночных передача зрительного сигнала направляется от родопсина через Gq на фосфолипазу С-р, и процесс высвобождения Са2+, запускаемый PLC, начинает деполяризацию.
Эта система отрегулирована на определенную скорость передачи и предполагает, что все необходимые белки находятся поблизости.
InaD содержит пять PDZ доменов, каждый из которых связывается с С-концевым участком белка передающего сигнал.
С белком InaD конститутивно связаны канал TRP, через который происходит вход кальция, PLC-b и изоформа протеинкиназы С, участвующая в быстрой десенсибилизации.
Опосредованно с InaD также связываются родопсин, миозин (NinaC), а также Gq.
Каркасный белок Ste5p организует компоненты каскада МАРК, который реализует сигнал спаривания в ответ на феромоны у Sacharomyces cerevisiae.
На верхнем рисунке слева: в ответ на феромон, под действием Ste5p, компоненты каскада МАРК концентрируются на мембране.
На верхнем правом рисунке: при связывании с гетеротримером G-белка, белок Ste5p располагается в непосредственной близости к протеинкиназе Ste20p,
ассоциированной с небольшим активированным белком Cdc42p, связывающим ГТФ.
Совместная локализация белков обеспечивает последовательную активацию компонентов каскада, что приводит к активации МАРК Fus3p и к спариванию.
Как показано на двух нижних рисунках, МАРЗК Stellp может регулировать не только МАРК Fus3p,
но и МАРК Hog1p, которая является компонентом пути передачи сигнала при высокой осмолярности.
Каркасный белок, с которым связывается Stellp, Ste5p или Pbs2 (является каркасным белком и МАР2К),
определяет, какая МАРК и какие дальнейшие события активируются при генерации выходного сигнала.
