蛋白質磷酸化是細胞中重要的調控方式，而這一機制的發現很大程度上源于Edmond Fischer和Edwin Krebs對糖原磷酸化酶的研究^1-3。糖原是動物細胞内葡萄糖的儲備庫；糖原磷酸化酶催化糖原分解為葡萄糖，是糖原降解的限速酶，其活性受到嚴格的調控。磷酸化酶激酶PhK催化糖原磷酸化酶發生磷酸化，将其從低活性的b形式轉化為高活性的a形式。這種磷酸化介導的調節機制的發現不僅拓寬了人們對能量代謝過程的認識，還改變了對細胞信号傳導的理解，是生物化學領域的重要裡程碑。

PhK是第一個被純化的蛋白激酶，也是最大、最複雜的蛋白激酶之一，總分子量為1.3兆道爾頓。它包含α、β、γ和δ四個亞基。其中，α和β亞基是結構亞基；γ亞基具有激酶活性，由一個持續激活的N端激酶結構域（KD）和一個C端調節結構域（CRD）組成；δ亞基為鈣調蛋白，但其特殊之處在于無論Ca²⁺是否存在，δ亞基都能緊密結合在PhK中，作為其不可或缺的組成部分^4,5。Ca²⁺可能通過與鈣調蛋白結合産生的構象變化激活PhK。盡管關于PhK的研究已經持續近70年，但其具體的組裝方式和激活的分子機理仍不完全清楚。2024年3月28日，肖俊宇課題組在Nature Communications期刊發表題為“Architecture and activation of human muscle phosphorylase kinase”的論文，揭示了PhK全酶的組裝和激酶活性自抑制機制，并提出了PhK的Ca²⁺激活模型。

圖1. PhK全酶的組裝和激酶活性自抑制

PhK由α、β、γ和δ四個亞基組裝成α₄β₄γ₄δ₄十六聚體（圖1a）。β亞基和α亞基位于複合體的中心，為十六聚體的組裝骨架。其中，2個β亞基和2個α亞基以廣泛的相互作用形成α₂β₂ 亞複合體； 2個α₂β₂再經由β亞基C端形成的橋相互連接。行使激酶活性的γ亞基通過與α亞基的相互作用組裝到全酶上。δ亞基則牢牢結合在γ亞基CRD中的疏水螺旋αJ上，同時與KD也存在相互作用。γ亞基與α亞基之間的相互作用對其激酶活性的自抑制尤為重要。γ亞基KD的N-lobe和C-lobe分别連接α亞基D2和D5結構域，使得γ亞基以催化口袋朝内的方式扣在α亞基上。同時，γ亞基的自抑制結構域（AID）以廣泛的疏水相互作用夾在C-lobe與α亞基D5結構域之間，且AID中Lys361-Gln363占據了底物肽段的結合位置，通過“假底物”競争抑制的機制實現了激酶活性的自抑制（圖1b，c）。該研究也進一步解析了PhK在Ca²⁺激活狀态的結構，并提出了Ca²⁺激活PhK的分模型：在接受到Ca²⁺信号後，δ亞基首先會與Ca²⁺結合并發生構象變化；δ亞基的構象變化傳導至AID與KD C-lobe的相互作用界面并将其打破，引起激酶活性自抑制的解除（圖2）。

圖2. PhK的Ca²⁺激活模型

總之，該研究基于高分辨率的結構揭示了人源肌肉亞型PhK全酶的組裝機制，并提出了Ca²⁺激活模型，為深入研究這一重要激酶複合物的功能奠定了理論依據和結構基礎。

蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室、beat365官方网站、北大清華生命科學聯合中心肖俊宇教授為該論文的通訊作者。beat365官方网站2018級博士生楊曉珂和2021級博士生朱銘淇為該論文的共同第一作者。昌平實驗室2022級博士生盧雪和北京大學博雅博士後王禹心為該論文提供了幫助。

原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47049-2

參考文獻：

1. Krebs, E. G. Protein phosphorylation and cellular regulation I (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32, 1122–1129 (1993).

2. Fischer, E. H. Protein phosphorylation and cellular regulation II (Nobel Lecture). Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32, 1130–1137 (1993).

3. Fischer, E. H. & Krebs, E. G. Conversion of phosphorylase b to phosphorylase a in muscle extracts. J. Biol. Chem. 216, 121–132 (1955).

4. Vénien-Bryan, C. et al. The structure of phosphorylase kinase holoenzyme at 9.9 Å resolution and location of the catalytic subunit and the substrate glycogen phosphorylase. Structure 17, 117–127 (2009).

5. Cohen, P. et al. Identification of the Ca²⁺-dependent modulator protein as the fourth subunit of rabbit skeletal muscle phosphorylase kinase. FEBS Lett. 92, 287–293 (1978).