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計算モデルと分子動力学シミュレーションを用いて、ヒトcGMP特異的プロテインキナーゼIαの構造不均一性と自己抑制の構造的基盤を探る
Exploring the structural basis of conformational heterogeneity and autoinhibition of human cGMP-specific protein kinase Iα through computational modelling and molecular dynamics simulations.
PMID: 32670503 PMCID: PMC7334484. DOI: 10.1016/j.csbj.2020.06.016.
抄録
プロテインキナーゼIα（PKGIα）は、重要な環状グアノシン一リン酸（cGMP）シグナル伝達タンパク質です。PKGIαの構造可塑性に関連した主要な過程は明らかにされているが、活性型・非活性型のヒトPKGIαの自己阻害や多ドメイン三次構造の構造的側面は明らかにされていない。ここでは、計算機比較モデリング、タンパク質-タンパク質ドッキング、分子動力学（MD）シミュレーションを組み合わせて、PKGIαの触媒ドメインの抑制状態の構造的詳細を調べています。触媒クレフト内の自己阻害性ドメイン(AI)の潜在的な阻害性構造の探索から、擬似基質モチーフがグリシンリッチループと基質結合ローブの残基と結合していることが明らかになった。また、触媒ドメインとAIドメインの結合による動的変化についても調べた。活性状態と不活性状態のPKGIαの三次元ホモ二量体モデルから、不活性状態のPKGIαは、環状ヌクレオチド結合（CNB-A/B）ドメインが埋もれたコンパクトな球状構造をとるのに対し、触媒ドメインはCNB-AのN末端に面した基質結合ポケットにアクセスできないことが明らかになった。これに反して、PKGIαの活性状態モデルは、CNB-A/Bドメインがわずかに再配置されており、ホモ二量体の触媒ドメインがC末端に隣接し、それらの基質結合ローブが下流のタンパク質を自由に巻き込むことができる拡張された構造を示しています。これらの知見は、これまでに報告されたPKGIαの多ドメイン構造の静的画像と一致している。本研究で得られたPKGIαのコンフォメーションの不均一性と自動阻害に関する構造的知見は、PKGIαのダイナミクス主導の効果的な制御を理解するのに役立つかもしれません。
Protein kinase Iα (PKGIα) is a pivotal cyclic guanosine monophosphate (cGMP) signalling protein. Major steps related to the structural plasticity of PKGIα have been inferred but the structural aspects of the auto-inhibition and multidomain tertiary organization of human PKGIα in active and inactive form are not clear. Here we combine computational comparative modelling, protein-protein docking and molecular dynamics (MD) simulations to investigate structural details of the repressed state of the catalytic domain of PKGIα. Exploration of the potential inhibitory conformation of the auto-inhibitory domain (AI) within the catalytic cleft reveals that the pseudo-substrate motif binds with residues of the glycine rich loop and substrate-binding lobe. Dynamic changes as a result of coupling of the catalytic and AI domains are also investigated. The three-dimensional homodimeric models of PKGIα in the active and inactive state indicate that PKGIα in its inactive-state attains a compact globular structure where cyclic nucleotide binding (CNB-A/B) domains are buried, whereas the catalytic domains are inaccessible with their substrate-binding pockets facing the N-terminal of CNB-A. Contrary to this, the active-state model of PKGIα shows an extended conformation where CNB-A/B domains are slightly rearranged and the catalytic domains of homodimer flanking the C-terminal with their substrate binding lobes free to entrap downstream proteins. These findings are consistent with previously reported static images of the multidomain organization of PKGIα. Structural insights pertaining to the conformational heterogeneity and auto-inhibition of PKGIα provided in this study may help to understand the dynamics-driven effective regulation of PKGIα.
© 2020 Published by Elsevier B.V. on behalf of Research Network of Computational and Structural Biotechnology.