Calmodulin - Calmodulin

Calmodulin
Calmodulin.png
3D -struktur för Ca 2+ -bunden Calmodulin ( PDB : 1OSA )
Identifierare
Symbol Kam
PDB 1OSA
UniProt P62158
Helix-loop-helix-strukturen i det kalciumbindande EF- handmotivet

Kalmodulin ( CaM ) (en förkortning för cal cium- modul prote rerad i ) är en multifunktionell intermediär kalciumbindande budbärare protein uttryckt i alla eukaryota celler . Det är ett intracellulärt mål för den sekundära budbäraren Ca2 + , och bindningen av Ca2 + krävs för aktivering av kalmodulin. Efter bindning till Ca 2+ , fungerar kalmodulin som en del av en kalcium signaltransduktionsväg genom att modifiera dess interaktioner med olika målproteiner såsom kinaser eller fosfataser .

Strukturera

Calmodulin är ett litet, mycket konserverat protein som är 148 aminosyror långt (16,7 kDa). Proteinet har två ungefär symmetriska globulära domäner (N- och C-domänerna) som vardera innehåller ett par EF- handmotiv separerade av en flexibel länkaregion för totalt fyra Ca 2+ bindningsställen, två i varje globulär domän. I Ca2 + -fritt tillstånd kollapsas spiralerna som bildar de fyra EF -händerna i en kompakt orientering och den centrala länken är störd; i Ca2 + -mättat tillstånd antar EF-hand-spiralerna en öppen orientering ungefär vinkelrätt mot varandra, och den centrala länken bildar en förlängd alfa-helix i kristallstrukturen, men förblir i stort sett störd i lösning. C-domänen har en högre bindningsaffinitet för Ca2 + än N-domänen.

Calmodulin är strukturellt ganska lik troponin C , ett annat Ca 2+ -bindande protein som innehåller fyra EF -handmotiv. Emellertid, troponin C innehåller en ytterligare alfa-helix vid sin N-terminal, och konstitutivt bundna till sitt mål, troponin I . Det uppvisar därför inte samma mångfald av måligenkänning som calmodulin.

Betydelsen av flexibilitet i calmodulin

Calmodulins förmåga att känna igen ett enormt utbud av målproteiner beror till stor del på dess strukturella flexibilitet. Förutom flexibiliteten hos den centrala länkar-domänen genomgår N- och C-domänerna öppen-stängd konformationscykling i Ca2 + -bunden tillstånd. Calmodulin uppvisar också stor strukturell variation och genomgår betydande konformationsfluktuationer när den är bunden till mål. Dessutom tillåter den övervägande hydrofoba karaktären av bindning mellan calmodulin och de flesta av dess mål igenkänning av ett brett spektrum av målproteinsekvenser. Tillsammans tillåter dessa funktioner att calmodulin känner igen cirka 300 målproteiner som uppvisar en mängd olika CaM-bindande sekvensmotiv.

Mekanism

Dessa bilder visar konformationsförändringar i calmodulin. Till vänster är calmodulin utan kalcium och till höger är calmodulin med kalcium. Platser som binder målproteiner indikeras av röda stjärnor.
Lösningsstruktur för Ca2 + -calmodulin C -terminal domän
Lösningsstruktur för Ca 2+ -calmodulin N -terminal domän

Bindning av Ca 2+ av EF-händerna orsakar en öppning av N- och C-domänerna, vilket exponerar hydrofoba målbindande ytor. Dessa ytor interagerar med komplementära icke-polära segment på målproteiner, typiskt bestående av grupper av skrymmande hydrofoba aminosyror separerade med 10-16 polära och/eller basiska aminosyror. Den flexibla centrala domänen för calmodulin tillåter proteinet att linda runt sitt mål, även om alternativa bindningsmetoder är kända. "Kanoniska" mål för calmodulin, såsom myosin-lättkedjiga kinaser och CaMKII , binder endast till det Ca 2+ -bundna proteinet, medan vissa proteiner, såsom NaV-kanaler och IQ-motivproteiner , också binder till calmodulin i frånvaro av Ca 2+ . Bindning av kalmodulin inducerar konformationella omorganisationer i målproteinet via "ömsesidigt inducerad passform", vilket leder till förändringar i målproteinets funktion.

Kalciumbindning med kalmodulin uppvisar betydande kooperativitet , vilket gör calmodulin till ett ovanligt exempel på ett monomert (enkelkedjigt) kooperativ-bindande protein. Vidare ändrar målbindningen kalmodulins bindningsaffinitet mot Ca2 + joner, vilket möjliggör komplext allosteriskt samspel mellan Ca 2+ och målbindningsinteraktioner. Detta inflytande av målbindning på Ca2 + -affinitet antas möjliggöra Ca2 + -aktivering av proteiner som konstitutivt är bundna till kalmodulin, såsom små konduktans Ca2 + -aktiverade kalium (SK) -kanaler.

Även om calmodulin huvudsakligen fungerar som ett Ca2 + -bindande protein, koordinerar det också andra metalljoner. Till exempel, i närvaro av typiska intracellulära koncentrationer av Mg 2+ (0,5 - 1,0 mM) och vilokoncentrationer av Ca 2+ (100 nM), mättas calmodulins Ca2 + bindningsställen åtminstone delvis med Mg 2+ . Denna Mg 2+ förskjuts av de högre koncentrationerna av Ca 2+ som genereras av signalhändelser. På liknande sätt kan Ca2 + i och för sig förskjutas av andra metalljoner, såsom de trivalenta lantaniderna, som associeras med calmodulins bindfickor ännu starkare än Ca2 + . Även om sådana joner snedvrider calmodulins struktur och i allmänhet inte är fysiologiskt relevanta på grund av deras brist på in vitro , har de ändå sett en bred vetenskaplig användning som reportrar om calmodulins struktur och funktion.

Roll hos djur

Calmodulin förmedlar många viktiga processer som inflammation , metabolism , apoptos , sammandragning av glatta muskler , intracellulär rörelse, korttids- och långsiktigt minne och immunsvaret . Kalcium deltar i ett intracellulärt signalsystem genom att fungera som en diffunderbar andra budbärare till de initiala stimuli. Det gör detta genom att binda olika mål i cellen inklusive ett stort antal enzymer , jonkanaler , akvaporiner och andra proteiner. Calmodulin uttrycks i många celltyper och kan ha olika subcellulära platser, inklusive cytoplasman , inom organeller , eller associerade med plasma eller organellmembran, men det finns alltid intracellulärt. Många av de proteiner som kalmodulin binder kan inte binda kalcium själva och använder kalmodulin som kalciumsensor och signaltransducer. Calmodulin kan också använda kalciumlagren i det endoplasmatiska nätet och det sarkoplasmatiska nätet . Calmodulin kan genomgå posttranslationella modifieringar, såsom fosforylering , acetylering , metylering och proteolytisk klyvning , som var och en har potential att modulera sina handlingar.

Specifika exempel

Roll i sammandragning av glatta muskler

Calmodulin bundet till en peptid från MLC -kinas ( PDB : 2LV6 )

Calmodulin spelar en viktig roll vid excitationskontraktion (EC) koppling och initiering av cross-bridge cykling i glatt muskulatur , vilket i slutändan orsakar glatt muskelsammandragning. För att aktivera sammandragning av glatta muskler måste huvudet på myosinlätta kedjan fosforyleras. Denna fosforylering utförs av myosin -lätt kedja (MLC) kinas . Detta MLC -kinas aktiveras av ett kalmodulin när det är bundet av kalcium, vilket gör sammandragning av glatta muskler beroende av närvaron av kalcium, genom bindning av kalmodulin och aktivering av MLC -kinas.

Ett annat sätt som calmodulin påverkar muskelsammandragning är genom att styra rörelsen av Ca 2+ över både cell- och sarkoplasmatiska retikulummembran . Den Ca 2+ kanaler , såsom ryanodinreceptorn hos sarkoplasmatiska retiklet, kan inhiberas genom kalmodulin bunden till kalcium, vilket påverkar de totala nivåerna av kalcium i cellen. Kalciumpumpar tar ut kalcium ur cytoplasman eller lagrar det i det endoplasmatiska retikulumet och denna kontroll hjälper till att reglera många processer nedströms.

Detta är en mycket viktig funktion för calmodulin eftersom det indirekt spelar en roll i varje fysiologisk process som påverkas av sammandragning av glatta muskler, såsom matsmältning och sammandragning av artärer (vilket hjälper till att distribuera blod och reglera blodtrycket ).

Roll i ämnesomsättningen

Calmodulin spelar en viktig roll i aktiveringen av fosforylaskinas , vilket i slutändan leder till att glukos klyvs från glykogen av glykogenfosforylas .

Calmodulin spelar också en viktig roll i lipidmetabolismen genom att påverka kalcitonin . Calcitonin är ett polypeptidhormon som sänker Ca 2+ -nivåerna i blodet och aktiverar G -proteinkaskader som leder till generering av cAMP. Kalcitonins verkan kan blockeras genom att hämma kalmodulins verkningar, vilket tyder på att kalmodulin spelar en avgörande roll för aktiveringen av kalcitonin.

Roll i korttids- och långtidsminne

Ca 2+ /kalmodulinberoende proteinkinas II (CaMKII) spelar en avgörande roll för en typ av synaptisk plasticitet som kallas långsiktig potentiering (LTP) som kräver närvaro av kalcium /kalmodulin. CaMKII bidrar till fosforyleringen av en AMPA -receptor som ökar känsligheten hos AMPA -receptorer. Vidare visar forskning att inhibering av CaMKII stör LTP.

Roll i växter

Sorghum- växten innehåller temperaturkänsliga gener. Dessa gener hjälper växten att anpassa sig i extrema väderförhållanden som varma och torra miljöer .

Medan jäst bara har en enda CaM -gen, innehåller växter och ryggradsdjur en evolutionärt bevarad form av CaM -gener. Skillnaden mellan växter och djur i Ca 2+ signalering är att växterna innehåller en utökad familj av CaM förutom den evolutionärt bevarade formen. Calmodulins spelar en väsentlig roll i växtutveckling och anpassning till miljöstimuli.

Kalcium spelar en nyckelroll i cellväggens strukturella integritet och cellens membransystem. Höga kalciumnivåer kan emellertid vara giftiga för växtens cellulära energimetabolism och därför hålls Ca 2+ -koncentrationen i cytosolen vid en submikromolär nivå genom att avlägsna den cytosoliska Ca 2+ till antingen apoplasten eller lumen i de intracellulära organellerna . Ca 2+ pulser som skapas på grund av ökat inflöde och utflöde fungerar som cellulära signaler som svar på yttre stimuli som hormoner, ljus, gravitation, abiotiska stressfaktorer och även interaktioner med patogener.

CML (CaM-relaterade proteiner)

Växter innehåller CaM-relaterade proteiner (CML) bortsett från de typiska CaM-proteinerna. CML: erna har ungefär 15% aminosyralikhet med de typiska CaM: erna. Arabidopsis thaliana innehåller cirka 50 olika CML -gener, vilket leder till frågan om vilket syfte dessa olika proteinområden tjänar i cellfunktionen. Alla växtarter uppvisar denna mångfald i CML -generna. De olika CaM och CML skiljer sig åt i sin affinitet för att binda och aktivera de CaM-reglerade enzymerna in vivo . CaM eller CML befinner sig också i olika organellfack.

Växttillväxt och utveckling

I Arabidopsis spelar proteinet DWF1 en enzymatisk roll i biosyntesen av brassinosteroider, steroidhormoner i växter som krävs för tillväxt. En interaktion uppstår mellan CaM och DWF1, och DWF1 som inte kan binda CaM kan inte producera en vanlig tillväxtfenotyp i växter. Därför är CaM avgörande för DWF1 -funktionen vid växttillväxt.

CaM -bindande proteiner är också kända för att reglera reproduktiv utveckling hos växter. Till exempel fungerar CaM-bindande proteinkinas i tobak som en negativ regulator för blomning. Dessa CaM-bindande proteinkinas finns emellertid också i skottapikalt meristem av tobak och en hög koncentration av dessa kinaser i meristemet orsakar en fördröjd övergång till blomning i växten.

S -fokusreceptorkinas (SRK) är ett annat proteinkinas som interagerar med CaM. SRK är inblandad i de självinkompatibilitetssvar som är involverade i interaktioner mellan pollen och pistill i Brassica .

CaM -mål i Arabidopsis är också inblandade i pollenutveckling och befruktning. Ca 2+ transportörer är avgörande för tillväxt av pollenrör . Därför upprätthålls en konstant Ca 2+ gradient vid toppen av pollenröret för förlängning under befruktningsprocessen. På samma sätt är CaM också viktigt vid toppen av pollenröret, där dess främsta roll innefattar vägledning av pollenrörstillväxten.

Interaktion med mikrober

Knölbildning

Ca 2+ spelar en betydande viktig roll vid knölbildning hos baljväxter. Kväve är ett väsentligt element som krävs i växter och många baljväxter, som inte kan fixera kväve självständigt, parar sig symbiotiskt med kvävebindande bakterier som reducerar kväve till ammoniak. Denna växelverkan- Rhizobium- interaktionsanläggning kräver Nod-faktorn som produceras av Rhizobium- bakterierna. Den Nod Faktorn är erkänd av de bakomliggande hårcellerna som är involverade i nodulbildning i baljväxter. Ca 2+ -svar av varierad karaktär kännetecknas av att de är involverade i Nod -faktorigenkänningen. Det finns ett Ca 2+ flöde vid spetsen av rothåret initialt följt av repetitiv oscillation av Ca 2+ i cytosolen och även Ca 2+ spik uppstår runt kärnan. DMI3, en väsentlig gen för Nodfaktorsignaleringsfunktioner nedströms Ca 2+ spikande signatur, kan känna igen Ca 2+ signaturen. Vidare uttrycks flera CaM- och CML -gener i Medicago och Lotus i knölar.

Patogen försvar

Bland de olika försvarsstrategier som växter använder mot patogener är Ca 2+ -signalering mycket vanligare. Fria Ca 2+ nivåer i cytoplasman ökar som svar på en patogen infektion. Ca 2+ signaturer av denna art aktiverar vanligtvis växtförsvarssystemet genom att inducera försvarsrelaterade gener och den överkänsliga celldöden. CaM, CML och CaM-bindande proteiner är några av de nyligen identifierade elementen i växtförsvarets signalvägar. Flera CML -gener i tobak , böna och tomat är mottagliga för patogener. CML43 är ett CaM-relaterat protein som, isolerat från APR134-genen i de sjukdomsresistenta bladen i Arabidopsis för genuttrycksanalys, snabbt induceras när bladen ympas med Pseudomonas syringae . Dessa gener finns också i tomater ( Solanum lycopersicum ). CML43 från APR134 binder också till Ca 2+ joner in vitro vilket visar att CML43 och APR134 är följaktligen involverade i Ca2 + -beroende signalering under växtens immunsvar mot bakteriella patogener. CML9 -uttrycket i Arabidopsis thaliana induceras snabbt av fytopatogena bakterier, flagellin och salicylsyra. Uttryck av sojabönor SCaM4 och SCaM5 i transgen tobak och Arabidopsis orsakar en aktivering av gener relaterade till patogenresistens och resulterar också i förbättrad resistens mot ett brett spektrum av patogeninfektion. Detsamma gäller inte för sojabönor SCaM1 och SCaM2 som är mycket bevarade CaM -isoformer. Den BAG6 proteinet är en CaM-bindande protein som binder till CaM endast i frånvaro av Ca 2+ och inte i närvaro av den. BAG6 ansvarar det överkänsliga svaret av programmerad celldöd för att förhindra spridning av patogeninfektion eller för att begränsa patogenväxt. Mutationer i CaM -bindande proteiner kan leda till allvarliga effekter på växternas försvarssvar mot patogeninfektioner. Cykliska nukleotidgateda kanaler (CNGC) är funktionella proteinkanaler i plasmamembranet som har överlappande CaM-bindningsställen som transporterar tvåvärda katjoner såsom Ca2 + . Den exakta rollen för placeringen av CNGC: er i denna väg för växtförsvar är dock fortfarande oklar.

Abiotisk stressrespons hos växter

Förändring av intracellulära Ca 2+ -nivåer används som en signatur för olika reaktioner mot mekaniska stimuli, osmotiska och saltbehandlingar och kyla och värmechocker. Olika rotcellstyper visar ett annat Ca 2+ -svar på osmotiska och saltbelastningar och detta innebär cellspecificiteter för Ca 2+ -mönster. Som svar på yttre stress aktiverar CaM glutamatdekarboxylas (GAD) som katalyserar omvandlingen av L -glutamat till GABA. En noggrann kontroll av GABA -syntesen är viktig för växtutveckling och därför kan ökade GABA -nivåer väsentligen påverka växtens utveckling. Därför kan yttre stress påverka växternas tillväxt och utveckling och CaM är inblandade i den vägen som styr denna effekt.

Växtexempel

Durra

Växten sorghum är väl etablerad modell organism och kan anpassa sig i varma och torra miljöer. Av denna anledning används den som modell för att studera calmodulins roll i växter. Sorghum innehåller plantor som uttrycker en glycin -rika RNA-bindande protein , SbGRBP. Detta speciella protein kan moduleras genom att använda värme som en stressor. Dess unika plats i cellkärnan och cytosolen visar interaktion med calmodulin som kräver användning av Ca 2+ . Genom att utsätta växten för mångsidiga stressförhållanden kan det orsaka olika proteiner som gör att växtcellerna kan tolerera miljöförändringar att bli undertryckta. Dessa modulerade stressproteiner har visat sig interagera med CaM. De CaMBP gener som uttrycks i sorghum avbildas som en ”modell gröda” för forskning toleransen mot värme och torkstress .

Arabidopsis

I en Arabidopsis thaliana -studie visade hundratals olika proteiner möjligheten att binda till CaM i växter.

Familjemedlemmar

Andra kalciumbindande proteiner

Calmodulin tillhör en av de två huvudgrupperna av kalciumbindande proteiner, kallade EF-handproteiner . Den andra gruppen, som kallas annexiner , binder kalcium och fosfolipider som lipokortin . Många andra proteiner binder kalcium, även om bindande kalcium kanske inte anses vara deras huvudsakliga funktion i cellen.

Se även

Referenser

externa länkar