Proteiinikinaasit eroavat toisistaan solu-ja subsellulaarisessa jakautumisessaan, substraattispesifisyydessään ja säätelyssään
nämä ominaisuudet määrittävät niiden yli 70 proteiinikinaasin toiminnalliset roolit, joita on löydetty nisäkkäiden kudoksista ja joista useimpien tiedetään ilmentyvän neuroneissa . Tässä luvussa käsitellään aivojen proteiiniseriini-treoniinikinaasien pääryhmiä, jotka on lueteltu taulukossa 24-1. Aivojen proteiinityrosiinikinaasien pääryhmiä käsitellään luvussa 25. Parhaita tutkittuja aivojen proteiinikinaaseja ovat toisen viestileirin, cGMP: n, Ca2+: n ja DAG: n aktivoimat proteiinikinaasit .
cAMP-riippuvainen proteiinikinaasi (proteiinikinaasi A; PKA) koostuu katalyyttisistä ja säätelevistä alayksiköistä. Kinaasin holoentsyymi, joka koostuu kahden katalyyttisen (C) ja kahden säätelevän (R) alayksikön tetrameeristä, on inaktiivinen. cAMP aktivoi holoentsyymin sitoutumalla sääteleviin alayksiköihin, jolloin holoentsyymi hajoaa vapaiksi sääteleviksi ja vapaiksi aktiivisiksi katalyyttisiksi alayksiköiksi . Nisäkkäiden kudoksista on kloonattu kolme C-alayksikön isoformia, kukin noin 40 kDa, ja neljä R-alayksikön isoformia, kukin 50-55 kDa. Kolmella C-alayksiköllä, jotka on nimetty Ca: ksi, Cß: ksi ja Cy: ksi, on hyvin samanlainen ja laaja substraattispesifisyys, eli ne fosforyloivat suuren määrän fysiologisia substraattiproteiineja, ja niitä voidaan yleensä pitää toistensa isoformeina. Neljä R-alayksikköä koostuvat kahdesta muodosta, jotka ovat tyypin I ja tyypin II proteiineja. Riia ja RIIß, mutta ei RIa ja RIß, käyvät läpi autofosforylaation, kuten alla kuvataan. Useimmilla näistä proteiinikinaasin R-ja C-alayksiköistä on laaja solujakauma aivoissa.
PKA-aktiivisuutta esiintyy koko solussa, joka liittyy plasman kalvoon sekä sytoplasmaan ja ydinfraktioihin. Kinaasi on voimakkaasti lokeroitunut solun sisällä, suurelta osin sarjan ankkuroivia proteiineja, joita kutsutaan kinaasiankkuriproteiineiksi (AKAPs) . Akapsista tunnetaan useita muotoja, joista monet ovat noin 75-79 kDa. AKAPs sitoutuu erityisesti proteiinikinaasin RIIa-ja RIIß-alayksiköihin ja sitoo siten nämä säätelyalayksiköt ja niihin sitoutuneet katalyyttiset alayksiköt erityisiin solukohtaisiin kohtiin, esimerkiksi postsynaptisiin tiheyksiin. Postsynaptiset tiheydet ovat erikoistuneet distaalisiin dendriitteihin, jotka liittävät presynaptiset hermopäätteet toisiinsa ja joiden uskotaan sisältävän joitakin neurotransmitterireseptoreita ja muita synaptiseen transmissioon tarvittavia proteiineja. Tällä tavoin AKAPs pitää proteiinikinaasin lähellä signaalitransduktioproteiinien kaskadia, jonka se fosforyloi säätelemään synaptista transmissiota. AKAPs: n tärkeä rooli fysiologisissa olosuhteissa on osoitettu kokeissa, joissa AKAP—RII-vuorovaikutuksia häiritsevien synteettisten polypeptidien on osoitettu häiritsevän PKA: n erityisiä fysiologisia vaikutuksia .
cGMP-riippuvainen proteiinikinaasi (PKG) on kahden identtisen alayksikön dimeeri. Jokainen alayksikkö, jonka Mr on ~75,000, sisältää sääntelyalueen, joka sitoo cGMP: tä, ja katalyyttisen verkkotunnuksen . Kuten cAMP-riippuvaisella entsyymillä, cGMP aktivoi inaktiivisen holoentsyymin sitoutumalla molekyylin säätelyalueeseen; toisin kuin cAMP-riippuvaisella entsyymillä, cGMP-riippuvaisen holoentsyymin aktivaatioon ei kuitenkaan liity alayksiköiden dissosiaatiota. PKG: n solujakauma ja substraattispesifisyys ovat huomattavasti rajallisempia kuin PKA: n. Tämä kuvastaa cGMP: n pienempää second messenger-toimintojen määrää solun toiminnan säätelyssä.
kalsium – / kalmoduliiniriippuvaiset proteiinikinaasit (CaM-kinaasit; CaMKs) on toinen hermoston kalsiumriippuvaisten kinaasien kahdesta pääluokasta. Aivoissa on ainakin kuusi päätyyppiä CaMK: ta, joilla kaikilla on hyvin erilaiset ominaisuudet. CaMK II: lla, kuten cAMP-riippuvaisella entsyymillä, on laaja solujakauma ja substraattispesifisyys, ja sitä voidaan pitää ”monikäyttöisenä proteiinikinaasina”, koska se todennäköisesti välittää monia Ca2+: n toisen lähettimen vaikutuksia monentyyppisissä neuroneissa . Analogisesti Pkg: n kanssa CaMK II sisältää säätelyalueen, joka lepotilassa sitoutuu katalyyttiseen domeeniin ja estää sitä; tämä esto helpottuu, kun Ca2+/kalmoduliini sitoutuu säätelyalueeseen. Tämän entsyymin isoformeja on kloonattu useita, mukaan lukien useita α-Ja β-alayksiköitä ~50 ja 60 kDa. Entsyymi esiintyy fysiologisissa olosuhteissa suurina multimeerisinä komplekseina, jotka ovat identtisiä tai erillisiä isoformeja.
CaMKs I ja IV näyttävät myös olevan tärkeässä roolissa monien Ca2+: n toisen lähettimen toimien välittäjänä hermostossa, vaikka niiden tarkka substraattispesifisyys on edelleen vain osittain tiedossa . Yksi mielenkiintoinen piirre CaMK I: ssä ja IV: ssä on se, että molemmat näyttävät aktivoituvan Ca2+/kalmoduliinin sitoutumisen lisäksi myös muiden proteiinikinaasien fosforyloituessa, joita on vastaavasti kutsuttu CaMK I-kinaasiksi ja CaMK IV-kinaasiksi . Nämä CaMK-kinaasit voivat olla myös Ca2+ / kalmoduliiniriippuvaisia entsyymejä. CaMK IV-kinaasientsyymi on kloonattu. Mielenkiintoista on, että tämä kinaasi fosforyloituu ja estyy PKA: lla, mikä tarjoaa näkyvän mekanismin, jolla cAMP ja Ca2+ – kaskadit vuorovaikuttavat, kuten jäljempänä käsitellään yksityiskohtaisemmin.
jäljellä olevat kolme CaMK-tyyppiä ovat fosforylaasikinaasi, myosiini kevytketjukinaasi ja CaMK III . Nämä entsyymit näyttävät fosforyloivan vähemmän substraattiproteiineja ja joissakin tapauksissa vain yhtä tyyppiä fysiologisissa olosuhteissa, ja siten kukin voi välittää suhteellisen vähemmän Ca2+: n vaikutuksia hermostossa.
proteiinikinaasi C (PKC) käsittää Ca2+-riippuvaisten proteiinikinaasien toisen pääryhmän, ja Ca2+ aktivoi sitä yhdessä DAG: n ja fosfatidyyliseriinin kanssa . PKC: tä on kloonattu useita eri muotoja, ja aivoissa tiedetään olevan ainakin seitsemän entsyymilajia. PKC: n varianttimuodoilla on erilaisia solujakaumia aivoissa ja erilaisia säätelyominaisuuksia. Esimerkiksi ne eroavat toisistaan Ca2+: n ja DAG: n suhteellisessa kyvyssä aktivoida niitä: jotkut vaativat sekä Ca2+: n että DAG: n, kun taas toiset voidaan aktivoida pelkällä DAG: lla, ilmeisesti ilman Ca2+: n pitoisuuden kasvua. Näillä entsyymeillä on kuitenkin samanlaiset substraattispesifisyydet, minkä vuoksi niitä pidetään usein isoformeina.
PKC esiintyy fysiologisissa olosuhteissa noin 80 kDa: n yksittäisinä polypeptidiketjuina. Jokainen polypeptidi sisältää säätelyalueen, joka lepotilassa sitoutuu katalyyttiseen domeeniin ja inhiboi sitä. Tämä esto helpottuu, kun Ca2+ ja/tai dag sitoutuvat säätelyalueeseen. PKC: llä on laaja substraattispesifisyys ja se välittää lukuisia Ca2+: n toisen lähettimen toimintoja kohdehermosoluissa.
perusoloissa PKC on pääasiassa sytoplasmaproteiini. Aktivoituessaan Ca2+: n tai DAG: n avulla entsyymi liittyy plasman kalvoon, joka on monien tunnettujen fysiologisten substraattiensa, kuten reseptorien ja ionikanavien, paikka. PKC: n translokaatiota sytoplasmasta kalvoon onkin jo pitkään käytetty kokeellisena entsyymin aktivaation mittarina. Tällainen translokaatio on usein määritetty forboliesterin sitoutumisella; forboliesterit ovat tuumoria edistäviä aineita, jotka selektiivisesti sitoutuvat ja aktivoivat PKC: tä. Viime aikoina PKC: n translokaation molekyyliperusta sytoplasmasta plasmakalvoon on ratkaistu. Aktivoitu PKC, mutta ei entsyymin inaktiivinen muoto, sitoutuu suurella affiniteetilla useisiin kalvoon liittyviin proteiineihin, joita kutsutaan aktivoidun C-kinaasin reseptoreiksi (RACK). Telineet toimivat siten analogisesti AKAPs: n kanssa PKA: n ohjatessa tai rekrytoidessa näitä laajasti ilmentyviä entsyymejä solunsisäisiin paikkoihin, joissa niiden aktiivisuutta vaaditaan.
erilaiset solunulkoiset signaalit välittyvät toisista viestinviejistä riippuvaisten proteiinikinaasien välityksellä. PKA: n, Pkg: n, CaMK II: n tai PKC: n solunsisäisen käytön mikroinjektiona tai transfektiona tietyntyyppisiin neuroneihin on osoitettu jäljittelevän tiettyjä fysiologisia vasteita (ionikanavien säätely, välittäjäaineiden vapautuminen ja geenien transkriptio) näiden neuronien tietyille ensimmäisille viestimille (välittäjäaineille tai hermoimpulsseille). Jos kinaaseille on spesifisiä inhibiittoreita, niiden käytön on osoitettu estävän välittäjäaineiden kykyä saada aikaan näitä vasteita. Yhdessä nämä havainnot osoittavat, että näiden toisen viestinviejästä riippuvaisten proteiinikinaasien aktivoituminen on sekä välttämätön että riittävä vaihe siinä tapahtumasarjassa, jossa tietyt ensimmäiset viestinviejät saavat aikaan osan fysiologisista vaikutuksistaan.
siirtogeeniset menetelmät ovat tarjonneet lisänäyttöä toisen viestinvälittäjäriippuvaisen proteiinikinaasin merkityksestä aivosignaalin transduktion säätelyssä. Paras esimerkki tähän mennessä ovat hiiret, joilta puuttuu CaMK II: n alayksiköt. Näillä eläimillä esiintyy hippokampuksen synaptisen plastisuuden, pitkäaikaisen potentiaation sekä epänormaalin avaruudellisen oppimisen puutteita, hippokampuksen toiminnasta riippuvaa oppimista (KS.myös luku. 50).
