生理的な細胞質CaレベルでのS100A1活性化と標的制御の分子基盤

Molecular Basis of S100A1 Activation and Target Regulation Within Physiological Cytosolic Ca Levels.

• Bin Sun
• Peter M Kekenes-Huskey

抄録

S100A1タンパク質は、カルシウム（Ca）と標的タンパク質（チチン、SERCA、RyRなど）との結合を通じて心筋細胞の機能を制御している。S100A1は2つのCa結合ドメイン、高親和性のカノニカルEFハンド（cEF）と低親和性の擬似EFハンド（pEF）を有しており、S100A1の活性化を制御している。野生型Ｓ１００Ａ１の場合、両方のＥＦハンドは、標的ペプチド結合に必要な開放状態を形成するためにＣａによって結合されなければならず、これは非生理的に高いサブミリモルＣａレベルを必要とする。しかし、Cys85での翻訳後修飾により、Ca濃度が飽和していない状態でのオープン状態の形成が促進される可能性があることが示されている。したがって、S100A1の翻訳後修飾は、結合タンパク質標的のCa感受性を増加させ、それによって対応するシグナル伝達経路を調節する可能性がある。本研究では、分子動力学シミュレーションを用いてS100A1の開閉ゲーティングのメカニズムを調べ、Cys85の機能化（酸化還元反応を介した）が、Ca濃度が低いときの相対的な開放状態の集団とペプチド結合能をどの程度制御しているかを明らかにした。さらに、代表的なペプチド標的であるTRKT12に結合するタンパク質の能力を明らかにし、この結合能を公表されている競合アッセイデータと関連付けることにした。シミュレーションの結果、Cys85の機能化は、生理的にマイクロモルのCaレベルでS100A1のオープン状態を安定化する可能性があることを示している。このことは、S100A1がCaシグナルとレドックスシグナルをつなぐシグナルハブとして機能していることを示唆している。

The S100A1 protein regulates cardiomyocyte function through its binding of calcium (Ca) and target proteins, including titin, SERCA, and RyR. S100A1 presents two Ca binding domains, a high-affinity canonical EF-hand (cEF) and a low-affinity pseudo EF-hand (pEF), that control S100A1 activation. For wild-type S100A1, both EF hands must be bound by Ca to form the open state necessary for target peptide binding, which requires unphysiological high sub-millimolar Ca levels. However, there is evidence that post-translational modifications at Cys85 may facilitate the formation of the open state at sub-saturating Ca concentrations. Hence, post-translational modifications of S100A1 could potentially increase the Ca-sensitivity of binding protein targets, and thereby modulate corresponding signaling pathways. In this study, we examine the mechanism of S100A1 open-closed gating via molecular dynamics simulations to determine the extent to which Cys85 functionalization, namely via redox reactions, controls the relative population of open states at sub-saturating Ca and capacity to bind peptides. We further characterize the protein's ability to bind a representative peptide target, TRKT12 and relate this propensity to published competition assay data. Our simulation results indicate that functionalization of Cys85 may stabilize the S100A1 open state at physiological, micromolar Ca levels. Our conclusions support growing evidence that S100A1 serves as a signaling hub linking Ca and redox signaling pathways.

Copyright © 2020 Sun and Kekenes-Huskey.