驅動蛋白超家族蛋白的分類及功能(附參考文獻)

 

前情回顧:細胞工廠搬運工——驅動蛋白(Kinesin)活性檢測試劑盒

 

真核細胞驅動蛋白馬達蛋白利用 ATP 水解的能量沿細胞骨架微管網絡移動貨物,如染色體和囊泡 。它們在細胞內運輸的方方面面都發揮著重要作用,并廣泛參與各種生理過程,包括胚胎發育、軸突運輸和細胞分裂。許多驅動蛋白在細胞分裂中起著重要作用,以及驅動蛋白的過度表達與癌癥(如視網膜母細胞瘤)有關的事實,使它們成為開發抗有絲分裂藥物非常有潛力的靶標。許多驅動蛋白僅在細胞分裂期間表達的證據也表明,它們可能優于當前的抗有絲分裂藥物靶標,例如普遍表達的Tubulin。

 

驅動蛋白的一般結構?

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驅動蛋白的一般結構?

 

驅動蛋白分類和結構多樣性

 

迄今為止,已經在從酵母(釀酒酵母?含有 6 種驅動蛋白)和真菌到人類(目前有13種驅動蛋白)等物種中鑒定了大約 150 種驅動蛋白。?分類基于馬達蛋白域的同源性。目前一致認為至少有九類驅動蛋白,驅動蛋白分類如表1所示,驅動蛋白命名(在表 1 中以粗體顯示)基于驅動蛋白內馬達蛋白結構域的位置,因此 N-蛋白質在蛋白質的氨基末端包含一個運動結構域,而 C- M-馬達蛋白分別位于羧基末端和蛋白質中間。

 

考慮到不同類驅動蛋白的馬達之間相對較高的百分比差異,很可能識別類特異性的驅動蛋白藥物,這一結構證據得到了生化數據的支持,這些數據表明不同類別的果蠅驅動蛋白表現出對各種 ATP 類似物的不同的利用效率。實驗表明,即使在同一的物種內,不同驅動蛋白之間也存在明顯的結構差異,可用于選擇性藥物開發。

 

表 1:驅動蛋白超家族蛋白的分類及功能

驅動蛋白種類 細胞功能 候選HTS靶標代表 功能性有絲分裂抑制數據 參考文獻
N-II
(BIMC)
中心體分離
主軸動力學
(12名成員, 來自于5個門類)
AnBimC
HsEg5
曲霉中bmc突變體抑制紡錘體分離,并引起致死表型。
在HeLa細胞中,通過顯微注射HsEg5抗體導致>80%的細胞有絲分裂中止。這些結果通過過表達HsEg5馬達蛋白突變體得到證實。
7、17、34
NV
(染色質)
通過與染色體結合并幫助它們在中期板上對齊而參與細胞分裂。(7 名成員, 來自于3個門類) 染色質驅動蛋白 體內反義和體外抗體抑制及免疫耗竭實驗證明了染色質驅動蛋白在紡錘體組織和染色體定位中的重要作用。運動抑制導致爪蟾細胞有絲分裂阻滯和細胞死亡。人類染色體驅動蛋白的異常與視網膜母細胞瘤有關 18、19、20、21
N-VII 參與中期板上的染色體聚集,并可能參與后期 A 的染色體運動
(2 個成員,來自于1個門類)
HsCENP-E 無馬達 CENP-E 蛋白在人源細胞系體內過表達導致染色體無法在中期板上對齊并導致有絲分裂阻滯。此外,將 CENP-E 抗體顯微注射到 HeLa 細胞中也會導致有絲分裂阻滯,持續 4 到 17 小時,并導致所有細胞進入細胞凋亡。 22、23、24、25
N-VI
(MKLP1)
參與有絲分裂的后期 B 和胞質分裂。
(5 個成員,來自于2個門類)
HsMKLP1 N-VI 家族的果蠅突變體表明,這種馬達蛋白對于胞質分裂至關重要。 26、27
C
(C端)
可能通過調節微管動力學參與有絲分裂和減數分裂紡錘體的形成。一些成員可能是專門的囊泡轉運蛋白。
(18名成員,來自于7個門類)
HsKifC3 低等真核生物(酵母)中的突變分析表明,此類蛋白質中的無效突變體導致 G2/M 的致命有絲分裂阻滯。 35、36、37、38、39
M
(MCAK/KIF2 )
參與后期染色體運動和微管動力學。一些成員是囊泡驅動蛋白。(10名成員,來自于4個門類) HsMCAK 反義抑制哺乳動物的M蛋白導致后期染色體分離的中斷。一個無馬達蛋白突變體的過表達也導致了后期的破壞。 6、32、33
N-I
(KHC)
細胞器/囊泡運輸
(15名成員,來自于7個門類)
HsKHC 在有絲分裂中沒有作用 30,31
N-III
(Unc104)
細胞器/囊泡運輸,特別是突觸囊泡和線粒體
(18名成員,來自于4個門類)
HsKIF1C 在有絲分裂中沒有作用 28
N-
(KRP85/95)
細胞器/囊泡運輸特別是順行囊泡運輸。
(13 名成員,?來自于4個門類)
HsKIF3C 在有絲分裂中沒有作用 29

 

用于 HTS 分析的驅動蛋白靶標的選擇

 

從上表我們可以看到,驅動蛋白的細胞功能主要可分為兩大類:膜囊泡和細胞器的運輸和定位,以及有絲分裂紡錘體的形態發生和染色體運動 [12],九類驅動蛋白中有四類專門參與細胞分裂(表 1 的黃色/綠色陰影區域),兩類(C- 和 M-)同時包含囊泡轉運蛋白和有絲分裂馬達蛋白(表 1 的淺黃色陰影區域),三個類別(NI、NIII 和 N-IV)僅在囊泡運輸中起作用(表 1 的無陰影區域)。

 

我們從每個驅動蛋白類中選擇了一個人類同源蛋白[6,17,21,22,26,28,29,30,39],從Aspergillus(一種人類病原體)中選擇了兩個真菌驅動蛋白[34], 一個人類病原體作為 HTS 檢測的基礎(這些顯示在表 1 中)。通過用化合物庫篩選每種蛋白質,可以生成一個初級化合物庫,該化合物庫應該允許識別選擇性靶向細胞分裂特定類別的人類驅動蛋白(表 1 的深色陰影區域)的化合物,同時對囊泡轉運驅動蛋白沒有影響。這種化合物很有可能是治療人類疾病如癌癥的有效的抗有絲分裂劑。同樣,可以將與曲霉驅動蛋白特異性反應的化合物用作潛在的抗真菌藥物。

 

驅動蛋白為什么能作為抗有絲分裂藥物篩選靶點

 

在開始一項昂貴的藥物開發計劃之前,必須嚴格評估候選蛋白的適用性,以滿足有效藥物靶標的標準。驅動蛋白將成為抗有絲分裂藥物開發的絕佳靶點的證據來自一系列實驗方法:包括突變分析 [40]、抗體抑制實驗 [7,32] 和驅動蛋白活性的反義抑制 [19]。這些證據總結在表 1 中,可以看出特定有絲分裂特異性驅動蛋白的功能性抑制導致細胞分裂的抑制。

 

在低等真核生物中,突變分析有助于闡明有絲分裂驅動蛋白的作用。單個驅動蛋白的突變通常會導致有絲分裂阻滯和致死表型。我們選擇作為抗真菌靶點的 AnBimC 蛋白就是這種情況[34]。然而,在某些情況下,兩個高度同源的基因執行相同的功能從而導致功能冗余[41],在這些情況下,必須同事敲除兩個基因才能產生有絲分裂表型變化。

 

重要的是,所有數據表明,針對有絲分裂驅動蛋白的抗體會特異性影響有絲分裂過程,但對驅動蛋白囊泡轉運功能沒有影響 [42]。事實上,對特定驅動蛋白的抑制通常會誘導一種非常具有細胞周期特異性的表型。例如,抑制 M 類驅動蛋白 MCAK 中的運動區域對紡錘體組裝沒有影響,但確實抑制了染色體運動 [32]。該數據表明驅動蛋白馬達的特定抑制劑將只會特異性地抑制有絲分裂過程而不影響其他關鍵細胞功能。

 

驅動蛋白靶標相對于當前抗有絲分裂靶標的優勢

 

微管的紡錘體蛋白Tubulin是目前抗有絲分裂藥物如紫杉醇和長春堿的主要靶點 [43,44]。人們普遍認為,這些藥物通過在有絲分裂期間直接抑制微管動力學發揮作用 [45,46]。由于有絲分裂細胞中的微管動力學比靜止細胞大得多,因此對分裂細胞的特異性是有利的。藥物處理導致有絲分裂阻滯,在此期間細胞進入凋亡途徑并死亡 [47]。但由于其作用機制的性質,所有抗有絲分裂劑,包括紫杉醇和長春堿,都會在某種程度上對正常有絲分裂細胞產生不利影響,例如存在于胸腺、睪丸、小腸、結腸和胎盤中的細胞 [48] .

 

然而,有絲分裂驅動蛋白作為潛在的抗有絲分裂藥物靶點的一個主要優點,是它們的表達通常受到嚴格調節,從而與有絲分裂事件一致。例如,HsMCAK 僅在增殖細胞中表達,其表達已被證明在轉錄水平受到嚴格調控 [6];HsEg5 僅在有絲分裂期間與微管相關,在體內間期與 MT 不相關 [7];染色質驅動蛋白僅在增殖細胞中表達,在那里它們是壽命較短的蛋白質,可能受細胞周期蛋白降解機制的調節 [51];研究表明,CENP-E在核破裂后立即與著絲點結合,并一直保持完全結合,直到B后期,當它重新定位到B后期紡錘體,隨后通過類似周期素的途徑降解 [52]。有絲分裂驅動蛋白表達的嚴格調控預示著這些將是高度特異性的抗有絲分裂靶點,具有最小的劑量限制副作用。

 

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文章來源:抗腫瘤細胞有絲分裂藥物篩選新靶點——驅動蛋白

 

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