活性化ループダイナミクスは細胞外シグナル制御キナーゼ2のコア運動と結合している

Activation Loop Dynamics Are Coupled to Core Motions in Extracellular Signal-Regulated Kinase-2.

• Dylan B Iverson
• Yao Xiao
• David N Jones
• Elan Z Eisenmesser
• Natalie G Ahn

抄録

プロテインキナーゼの活性化ループセグメントは、リン酸化を制御するための共通の部位である。細胞外シグナル制御キナーゼ2（ERK2）では、活性化ループの二重リン酸化と構造変化が酵素活性化に伴うものである。活性化ループの構造は、リン酸化されたスレオニン残基とチロシン残基とキナーゼコアの6つのアルギニン残基との間の複数のイオンペア相互作用によって安定化されていることがX線構造から明らかになった。塩橋ネットワークにもかかわらず、核磁気共鳴カーパーセル-Meiboom-Gill緩和分散実験により、リン酸化活性化ループはマイクロ秒からミリ秒の時間スケールで構造的に移動していることが明らかになった。このループのダイナミクスは、これまでに報告されているキナーゼコア領域内や触媒部位周辺でのグローバルな相互作用と一致しており、生産的なヌクレオチド結合を促進することが明らかになっている。このようなグローバルな運動を変化させるコア領域の変異は、活性化ループのダイナミクスも変化させる。逆に、活性化ループの変異はキナーゼコア内でのグローバルな交換に影響を与える。これらの結果から、活性化ループ内の運動とキナーゼの活性状態での触媒部位周辺の運動が相互作用していることが明らかになった。このように、二重リン酸化 ERK2 の活性化ループセグメントは、活性X線コンフォメーションで静的に保持されているのではなく、小さなエネルギー障壁で隔てられたコンフォメーション間で交換を受け、ヌクレオチド結合と触媒機能を制御する動的アロステリックネットワークの一部として機能している。

The activation loop segment in protein kinases is a common site for regulatory phosphorylation. In extracellular signal-regulated kinase 2 (ERK2), dual phosphorylation and conformational rearrangement of the activation loop accompany enzyme activation. X-ray structures show the active conformation to be stabilized by multiple ion pair interactions between phosphorylated threonine and tyrosine residues in the loop and six arginine residues in the kinase core. Despite the extensive salt bridge network, nuclear magnetic resonance Carr-Purcell-Meiboom-Gill relaxation dispersion experiments show that the phosphorylated activation loop is conformationally mobile on a microsecond to millisecond time scale. The dynamics of the loop match those of previously reported global exchange within the kinase core region and surrounding the catalytic site that have been found to facilitate productive nucleotide binding. Mutations in the core region that alter these global motions also alter the dynamics of the activation loop. Conversely, mutations in the activation loop perturb the global exchange within the kinase core. Together, these findings provide evidence for coupling between motions in the activation loop and those surrounding the catalytic site in the active state of the kinase. Thus, the activation loop segment in dual-phosphorylated ERK2 is not held statically in the active X-ray conformation but instead undergoes exchange between conformers separated by a small energetic barrier, serving as part of a dynamic allosteric network controlling nucleotide binding and catalytic function.