سیگنال‌دهی پیام‌رسان ثانویه از طریق فسفوریلاسیون پروتئین؛ پروتئین فسفاتاز و پروتئین کیناز

Second-Messenger Signaling via Protein Phosphorylation

As already mentioned, second messengers typically regulate neuronal functions by modulating the phosphorylation state of intracellular proteins (Figure 7.8). Phosphorylation (the addition of phosphate groups) is a post-translational modification that rapidly and reversibly changes protein function. Proteins are phosphorylated by a wide variety of protein kinases; phosphate groups are removed by other enzymes called protein phosphatases. The importance of protein phosphorylation as a regulatory mechanism is emphasized by the fact that the human genome contains more than 500 protein kinase genes and approximately 200 protein phosphatase genes. This means that nearly 3% of the genome is directly dedicated to control of the phos- phorylation state of proteins.

سیگنال‌دهی پیام‌رسان ثانویه از طریق فسفوریلاسیون پروتئین

همانطور که قبلاً ذکر شد، پیام‌رسان‌های ثانویه معمولاً با تعدیل وضعیت فسفوریلاسیون پروتئین‌های درون سلولی، عملکردهای عصبی را تنظیم می‌کنند (شکل 7.8). فسفوریلاسیون (افزودن گروه‌های فسفات) یک اصلاح پس از ترجمه است که به سرعت و به طور برگشت‌پذیر عملکرد پروتئین را تغییر می‌دهد. پروتئین‌ها توسط طیف گسترده‌ای از پروتئین کینازها فسفریله می‌شوند؛ گروه‌های فسفات توسط آنزیم‌های دیگری به نام پروتئین فسفاتازها حذف می‌شوند. اهمیت فسفوریلاسیون پروتئین به عنوان یک مکانیسم تنظیمی با این واقعیت که ژنوم انسان حاوی بیش از 500 ژن پروتئین کیناز و تقریباً 200 ژن پروتئین فسفاتاز است، تأکید می‌شود. این بدان معناست که تقریباً 3٪ از ژنوم مستقیماً به کنترل وضعیت فسفوریلاسیون پروتئین‌ها اختصاص دارد.

FIGURE 7.8 Regulation of cellular proteins by phosphorylation. Protein kinases trans-fer phosphate groups (Pi) from ATP to serine, threonine, or tyrosine residues on substrateproteins. This phosphorylation reversibly alters the structure and function of cellular proteins. Removal of the phosphate groups is catalyzed by protein phosphatases. Both kinases and phosphatases are regulated by a variety of intracellular second messengers.

شکل ۷.۸ تنظیم پروتئین‌های سلولی توسط فسفوریلاسیون. پروتئین کینازها گروه‌های فسفات (Pi) را از ATP به باقیمانده‌های سرین، ترئونین یا تیروزین روی پروتئین‌های سوبسترا منتقل می‌کنند. این فسفوریلاسیون به طور برگشت‌پذیر ساختار و عملکرد پروتئین‌های سلولی را تغییر می‌دهد. حذف گروه‌های فسفات توسط پروتئین فسفاتازها کاتالیز می‌شود. هم کینازها و هم فسفاتازها توسط انواع پیام‌رسان‌های ثانویه درون سلولی تنظیم می‌شوند.

The degree of phosphorylation of a target protein reflects a balance between the competing actions of protein kinases and phosphatases, thereby integrating a host of cellular signaling pathways. The substrates of protein kinases and phosphatases include enzymes, neurotransmitter receptors, ion channels, and structural proteins. Protein kinases and phosphatases typically act either on the serine and threonine residues (Ser/Thr kinases or phosphatases) or on the tyrosine residues (Tyr kinases or phosphatases) of their substrates. Some of these enzymes act specifically on only one or a handful of protein targets, while others are multifunctional and have a broad range of substrate proteins.

درجه فسفوریلاسیون یک پروتئین هدف، نشان‌دهنده تعادل بین عملکردهای رقابتی پروتئین کینازها و فسفاتازها است و در نتیجه مجموعه‌ای از مسیرهای سیگنالینگ سلولی را ادغام می‌کند. سوبستراهای پروتئین کینازها و فسفاتازها شامل آنزیم‌ها، گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی، کانال‌های یونی و پروتئین‌های ساختاری هستند. پروتئین کینازها و فسفاتازها معمولاً یا بر روی باقیمانده‌های سرین و ترئونین (کینازهای Ser/Thr یا فسفاتازها) یا بر روی باقیمانده‌های تیروزین (کینازهای Tyr یا فسفاتازها) سوبستراهای خود عمل می‌کنند. برخی از این آنزیم‌ها به طور خاص فقط بر روی یک یا تعداد انگشت‌شماری از پروتئین‌های هدف عمل می‌کنند، در حالی که برخی دیگر چند منظوره هستند و طیف وسیعی از پروتئین‌های سوبسترا را دارند.

Protein Kinases

The activity of most protein kinases is regulated either by second messengers or by extracellular chemical signals such as growth factors (see Chapter 23). Typically, second mes- sengers activate Ser or Thr kinases, whereas extracellular signals activate Tyr kinases. Each protein kinase has catalytic domains responsible for transferring phosphate groups to the relevant amino acids of their target proteins. Kinases that are regulated by second messengers typically have an additional regulatory domain that inhibits the catalytic site. Binding of second messengers (such as cAMP, DAG, and Ca²⁺) to the regulatory domain removes the inhibition, al- lowing the catalytic domain to phosphorylate the substrate protein. Other kinases are activated by phosphorylation by another protein kinase; these kinases typically do not have inhibitory regulatory domains. Among the hundreds of protein kinases expressed in the brain, a relatively small number are the main regulators of neuronal signaling.

پروتئین کینازها

فعالیت اکثر پروتئین کینازها یا توسط پیام‌رسان‌های ثانویه یا توسط سیگنال‌های شیمیایی خارج سلولی مانند فاکتورهای رشد تنظیم می‌شود (به فصل ۲۳ مراجعه کنید). معمولاً پیام‌رسان‌های ثانویه کینازهای Ser یا Thr را فعال می‌کنند، در حالی که سیگنال‌های خارج سلولی کینازهای Tyr را فعال می‌کنند. هر پروتئین کیناز دارای دامنه‌های کاتالیزوری است که مسئول انتقال گروه‌های فسفات به اسیدهای آمینه مربوط به پروتئین‌های هدف خود هستند. کینازهایی که توسط پیام‌رسان‌های ثانویه تنظیم می‌شوند، معمولاً یک دامنه تنظیمی اضافی دارند که محل کاتالیزوری را مهار می‌کند. اتصال پیام‌رسان‌های ثانویه (مانند cAMP، DAG و ⁺Ca²) به دامنه تنظیمی، مهار را از بین می‌برد و به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا پروتئین سوبسترا را فسفریله کند. سایر کینازها با فسفوریلاسیون توسط پروتئین کیناز دیگری فعال می‌شوند. این کینازها معمولاً دامنه‌های تنظیمی مهاری ندارند. در میان صدها پروتئین کیناز بیان شده در مغز، تعداد نسبتاً کمی تنظیم‌کننده اصلی سیگنالینگ عصبی هستند.

cAMP-dependent protein kinase (PKA). PKA is the primary effector of cAMP action in neurons and consists of two catalytic subunits and two regulatory subunits (Figure 7.9A). cAMP activates PKA by binding to the regulatory subunits, releasing active catalytic subunits that can phosphorylate many different target proteins. Although the catalytic subunits are similar to the catalytic domains of other protein kinases, distinct amino acids allow PKA to bind to specific target proteins, thus allowing only those targets to be phosphorylated in response to intracellular cAMP signals. Signaling specificity is also achieved by using specific anchoring proteins, called A kinase anchoring proteins (AKAPs), to localize PKA activity to specific com- partments within cells.

• پروتئین کیناز وابسته به cAMP (PKA). PKA عامل اصلی عمل cAMP در نورون‌ها است و از دو زیر واحد کاتالیزوری و دو زیر واحد تنظیمی تشکیل شده است (شکل 7.9A). cAMP با اتصال به زیر واحدهای تنظیمی، PKA را فعال می‌کند و زیر واحدهای کاتالیزوری فعالی را آزاد می‌کند که می‌توانند بسیاری از پروتئین‌های هدف مختلف را فسفریله کنند. اگرچه زیر واحدهای کاتالیزوری مشابه دامنه‌های کاتالیزوری سایر پروتئین کینازها هستند، اسیدهای آمینه متمایز به PKA اجازه می‌دهند تا به پروتئین‌های هدف خاص متصل شود، بنابراین فقط به آن اهداف اجازه می‌دهد تا در پاسخ به سیگنال‌های cAMP درون سلولی فسفریله شوند. اختصاصی بودن سیگنالینگ همچنین با استفاده از پروتئین‌های لنگرانداز خاص، به نام پروتئین‌های لنگرانداز A کیناز (AKAPs)، برای محلی‌سازی فعالیت PKA در بخش‌های خاص درون سلول‌ها حاصل می‌شود.

Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase, type II (CaMKII). Ca²⁺ ions binding to calmodulin can regulate numerous protein kinases. In neurons, CaMKII is the predominant Ca²⁺/calmodulin-dependent protein kinase; this kinase is the most abundant component of the postsynap- tic density, a structure important for postsynaptic signaling (see Box 7B). CaMKII comprises 12 subunits that are con- nected by a central association domain to form a wheel-like structure (Figure 7.9B). Each subunit contains a catalytic domain and a regulatory domain. When intracellular Ca²⁺ concentration is low, binding of the regulatory domain to the catalytic domain inhibits kinase Elevated Ca²⁺ allows Ca²⁺/calmodulin to bind to the regulatory domain, relieving its inhibition of the catalytic domain. This allows the catalytic domain to extend to form a barrel-shaped structure that can phosphorylate substrate proteins. CaM- KII substrates include ion channels and numerous proteins involved in intracellular signal transduction. The multimeric structure of CaMKII also allows neighboring subunits to phosphorylate each other, leading to sustained activation of CaMKII even after intracellular Ca²⁺ concentration returns to basal levels. This process of autophosphorylation is thought to serve as a cellular memory mechanism.

• پروتئین کیناز وابسته به ⁺Ca²/کالمودولین، نوع II (CaMKII). یون‌های ⁺Ca² که به کالمودولین متصل می‌شوند می‌توانند پروتئین کینازهای متعددی را تنظیم کنند. در نورون‌ها، CaMKII پروتئین کیناز وابسته به ⁺Ca²/کالمودولین غالب است؛ این کیناز فراوان‌ترین جزء چگالی پس‌سیناپسی است، ساختاری که برای سیگنالینگ پس‌سیناپسی مهم است (به کادر 7B مراجعه کنید). CaMKII شامل 12 زیر واحد است که توسط یک دامنه مرکزی به هم متصل شده‌اند تا یک ساختار چرخ مانند تشکیل دهند (شکل 7.9B). هر زیر واحد شامل یک دامنه کاتالیزوری و یک دامنه تنظیمی است. هنگامی که غلظت ⁺Ca² درون سلولی کم است، اتصال دامنه تنظیمی به دامنه کاتالیزوری، کیناز را مهار می‌کند. افزایش ⁺Ca² به ⁺Ca²/کالمودولین اجازه می‌دهد تا به دامنه تنظیمی متصل شود و مهار دامنه کاتالیزوری آن را کاهش دهد. این امر به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا گسترش یابد و یک ساختار بشکه‌ای شکل تشکیل دهد که می‌تواند پروتئین‌های سوبسترا را فسفریله کند. سوبستراهای CaM-KII شامل کانال‌های یونی و پروتئین‌های متعددی هستند که در انتقال سیگنال درون سلولی نقش دارند. ساختار چندمری CaMKII همچنین به زیرواحدهای مجاور اجازه می‌دهد تا یکدیگر را فسفریله کنند و منجر به فعال شدن پایدار CaMKII حتی پس از بازگشت غلظت ⁺Ca² درون سلولی به سطوح پایه شود. تصور می‌شود که این فرآیند خود-فسفوریلاسیون به عنوان یک مکانیسم حافظه سلولی عمل می‌کند.

Protein kinase C (PKC). Another important group of protein kinases is PKC, a diverse family of monomeric ki- nases activated by the second messengers DAG and Ca²⁺. Ca²⁺ causes PKC to move from the cytosol to the plasma membrane, where the regulatory domains of PKC then bind to DAG and to membrane phospholipids (Figure 9C). These events separate the regulatory and catalytic domains, allowing the catalytic domain to phosphorylate various protein substrates. PKC also diffuses to sites other than the plasma membrane—such as the cytoskeleton, perinuclear sites, and the nucleus—where it phosphor- ylates still other substrate proteins. Tumor-promoting compounds called phorbol esters mimic DAG and cause a prolonged activation of PKC that is thought to trigger tumor formation.

• پروتئین کیناز C (PKC). گروه مهم دیگری از پروتئین کینازها، PKC است، خانواده‌ای متنوع از کینازهای مونومری که توسط پیام‌رسان‌های ثانویه DAG و ⁺Ca² فعال می‌شوند. ⁺Ca² باعث می‌شود PKC از سیتوزول به غشای پلاسمایی منتقل شود، جایی که دامنه‌های تنظیمی PKC سپس به DAG و به فسفولیپیدهای غشایی متصل می‌شوند (شکل 9C). این رویدادها دامنه‌های تنظیمی و کاتالیزوری را از هم جدا می‌کنند و به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهند تا سوبستراهای پروتئینی مختلف را فسفریله کند. PKC همچنین به مکان‌هایی غیر از غشای پلاسما – مانند اسکلت سلولی، مکان‌های اطراف هسته و هسته – منتشر می‌شود و در آنجا پروتئین‌های سوبستراهای دیگر را فسفریله می‌کند. ترکیبات محرک تومور به نام استرهای فوربول، DAG را تقلید می‌کنند و باعث فعال شدن طولانی مدت PKC می‌شوند که تصور می‌شود باعث تشکیل تومور می‌شود.

Protein tyrosine kinases. Two classes of protein kinases transfer phosphate groups to tyrosine residues on substrate Receptor tyrosine kinases are transmembrane proteins with an extracellular domain that binds to protein ligands (growth factors, neurotrophic factors, or cytokines) and an intracellular catalytic domain that phosphorylates the relevant substrate proteins. Non-receptor tyrosine ki- nases are cytoplasmic or membrane-associated enzymes that are indirectly activated by extracellular signals. Ty- rosine phosphorylation is less common than Ser or Thr phosphorylation, and it often serves to recruit signaling molecules to the phosphorylated protein. Tyrosine kinases are particularly important for cell growth and differentia- tion (see Chapters 22 and 23).

• پروتئین تیروزین کینازها. دو دسته از پروتئین کینازها گروه‌های فسفات را به باقیمانده‌های تیروزین روی سوبسترا منتقل می‌کنند. تیروزین کینازهای گیرنده، پروتئین‌های غشایی با یک دامنه خارج سلولی هستند که به لیگاندهای پروتئینی (فاکتورهای رشد، فاکتورهای نوروتروفیک یا سیتوکین‌ها) متصل می‌شوند و یک دامنه کاتالیزوری درون سلولی دارند که پروتئین‌های سوبسترا مربوطه را فسفریله می‌کنند. تیروزین کینازهای غیر گیرنده، آنزیم‌های سیتوپلاسمی یا مرتبط با غشاء هستند که به طور غیرمستقیم توسط سیگنال‌های خارج سلولی فعال می‌شوند. فسفوریلاسیون تیروزین کمتر از فسفوریلاسیون Ser یا Thr رایج است و اغلب برای جذب مولکول‌های سیگنالینگ به پروتئین فسفریله شده عمل می‌کند. تیروزین کینازها به ویژه برای رشد و تمایز سلولی مهم هستند (به فصل‌های 22 و 23 مراجعه کنید).

Mitogen-activated protein kinase (MAPK). MAPKs, also called extracellular signal-regulated kinases (ERKs), are important examples of protein kinases that are activated via phosphorylation by another protein kinase. MAPKs were first identified as participants in the control of cell growth but are now known to have many other signaling functions. MAPKs are inactive at rest but be- come activated when they are phosphorylated. In fact, MAPKs are part of a kinase cascade in which one protein kinase phosphorylates and activates the next protein kinase in the cascade. The signals that trigger these kinase cascades are often extracellular growth factors that bind to receptor tyrosine kinases that, in turn, activate monomeric G-proteins such as ras. However, MAPKs are also activated by other types of signals, such as osmotic stress and heat shock. Activation of MAPKs is caused by phosphorylation of one or more amino acids within a structure called the activation loop; phosphorylation changes the structure of the activation loop, enabling the catalytic domain of MAPK to phosphorylate downstream targets (Figure 7.9D). These targets include transcription factors—proteins that regulate gene expression (see Figure 7.12)—as well as various enzymes, including other protein kinases, and cytoskeletal proteins.

• پروتئین کیناز فعال‌شده توسط میتوژن (MAPK). MAPKها که کینازهای تنظیم‌شده با سیگنال خارج سلولی (ERKها) نیز نامیده می‌شوند، نمونه‌های مهمی از پروتئین کینازها هستند که از طریق فسفوریلاسیون توسط پروتئین کیناز دیگری فعال می‌شوند. MAPKها ابتدا به عنوان شرکت‌کنندگان در کنترل رشد سلولی شناسایی شدند، اما اکنون مشخص شده است که عملکردهای سیگنال‌دهی بسیار دیگری نیز دارند. MAPKها در حالت استراحت غیرفعال هستند، اما وقتی فسفریله می‌شوند، فعال می‌شوند. در واقع، MAPKها بخشی از یک آبشار کیناز هستند که در آن یک پروتئین کیناز، پروتئین کیناز بعدی را در آبشار فسفریله و فعال می‌کند. سیگنال‌هایی که این آبشارهای کیناز را آغاز می‌کنند، اغلب فاکتورهای رشد خارج سلولی هستند که به تیروزین کینازهای گیرنده متصل می‌شوند که به نوبه خود، پروتئین‌های G مونومری مانند ras را فعال می‌کنند. با این حال، MAPKها توسط انواع دیگری از سیگنال‌ها، مانند استرس اسمزی و شوک حرارتی نیز فعال می‌شوند. فعال شدن MAPKها ناشی از فسفوریلاسیون یک یا چند اسید آمینه در ساختاری به نام حلقه فعال‌سازی است؛ فسفوریلاسیون ساختار حلقه فعال‌سازی را تغییر می‌دهد و دامنه کاتالیزوری MAPK را قادر می‌سازد تا اهداف پایین‌دستی را فسفریله کند (شکل 7.9D). این اهداف شامل فاکتورهای رونویسی – پروتئین‌هایی که بیان ژن را تنظیم می‌کنند (شکل 7.12 را ببینید) – و همچنین آنزیم‌های مختلف، از جمله سایر پروتئین کینازها و پروتئین‌های اسکلت سلولی هستند.

FIGURE 7.9 Activation of protein kinases. (A) In the inactive state (left), the catalytic subunits of PKA are inhibited by the regulatory subunits. Binding of cAMP to the regulatory subunits relieves the in- hibition and frees the catalytic subunits to phosphorylate their targets. Black lines indicate flexible structures that connect parts of the regulatory subunit. (B) CaMKII is a large wheel-shaped structure compris- ing 12 subunits, each with a catalytic (tan/ yellow) and a regulatory (blue) domain, held together by a central association domain (green). Binding of Ca²⁺/calmodulin to the regulatory domain allows the catalytic domain to extend and phosphorylate its substrates. (C) Binding of Ca²⁺ allows lipid-binding domains of PKC (blue) to insert into the plasma membrane and bind to DAG and other membrane lipids. This change in structure and location displac- es the regulatory domain (blue) allowsthe catalytic domain of PKC (yellow) to phosphorylate its substrates. Black lines indicate flexible structures that connect the various domains of PKC. (D) Activation of MAPK is caused by phosphorylation of an activation loop (yellow) by upstream kinases. Phosphorylation of the activation loop allows the catalytic domain of MAPK to assume its active conformation and phosphorylate downstream targets. (A from pdb101.rcsb.org; B after Craddock et al., 2012; C after Leonard et al., 2011; D from Turk, 2007.)

شکل ۷.۹ فعال‌سازی پروتئین کینازها. (الف) در حالت غیرفعال (چپ)، زیرواحدهای کاتالیزوری PKA توسط زیرواحدهای تنظیمی مهار می‌شوند. اتصال cAMP به زیرواحدهای تنظیمی، مهار را تسکین داده و زیرواحدهای کاتالیزوری را برای فسفریله کردن اهدافشان آزاد می‌کند. خطوط سیاه ساختارهای انعطاف‌پذیری را نشان می‌دهند که بخش‌هایی از زیرواحد تنظیمی را به هم متصل می‌کنند. (ب) CaMKII یک ساختار چرخ‌مانند بزرگ است که از 12 زیرواحد تشکیل شده است، هر کدام دارای یک دامنه کاتالیزوری (قهوه‌ای/زرد) و یک دامنه تنظیمی (آبی) هستند که توسط یک دامنه مرکزی (سبز) به هم متصل شده‌اند. اتصال ⁺Ca²/کالمودولین به دامنه تنظیمی به دامنه کاتالیزوری اجازه می‌دهد تا گسترش یافته و سوبستراهای خود را فسفریله کند. (ج) اتصال ⁺Ca² به دامنه‌های اتصال لیپیدی PKC (آبی) اجازه می‌دهد تا وارد غشای پلاسما شوند و به DAG و سایر لیپیدهای غشایی متصل شوند. این تغییر در ساختار و مکان، دامنه تنظیمی (آبی) را جابجا می‌کند و به دامنه کاتالیزوری PKC (زرد) اجازه می‌دهد تا سوبستراهای خود را فسفریله کند. خطوط سیاه ساختارهای انعطاف‌پذیری را نشان می‌دهند که دامنه‌های مختلف PKC را به هم متصل می‌کنند. (د) فعال شدن MAPK ناشی از فسفریلاسیون یک حلقه فعال‌سازی (زرد) توسط کینازهای بالادست است. فسفریلاسیون حلقه فعال‌سازی به دامنه کاتالیزوری MAPK اجازه می‌دهد تا ساختار فعال خود را به دست آورد و اهداف پایین‌دست را فسفریله کند. (الف از pdb101.rcsb.org؛ ب پس از Craddock و همکاران، ۲۰۱۲؛ ج پس از Leonard و همکاران، ۲۰۱۱؛ د از Turk، ۲۰۰۷.)

Protein Phosphatases

Among the several different families of protein phospha- tases, the best characterized are the Ser/Thr phosphatases 1, 2A, and 2B. Like many protein kinases, these protein phos- phatases consist of both catalytic and regulatory subunits (Figure 7.10). The catalytic subunits remove phosphates from proteins. Because of the remarkable similarity of their catalytic subunits, protein phosphatases display less substrate specificity than protein kinases. Furthermore, most regulatory subunits of phosphatases do not bind to second messengers, making most protein phosphatases constitutively active. Instead, expression of different regulatory subunits determines which substrates are dephosphorylated and where the phosphatase is located within cells.

پروتئین فسفاتازها

در میان چندین خانواده مختلف پروتئین فسفاتازها، فسفاتازهای Ser/Thr 1، 2A و 2B که به بهترین شکل مشخص شده‌اند، شناخته شده‌اند. مانند بسیاری از پروتئین کینازها، این پروتئین فسفاتازها از هر دو زیرواحد کاتالیزوری و تنظیمی تشکیل شده‌اند (شکل 7.10). زیرواحدهای کاتالیزوری، فسفات‌ها را از پروتئین‌ها حذف می‌کنند. به دلیل شباهت قابل توجه زیرواحدهای کاتالیزوری آنها، پروتئین فسفاتازها نسبت به پروتئین کینازها، اختصاصیت سوبسترای کمتری نشان می‌دهند. علاوه بر این، اکثر زیرواحدهای تنظیمی فسفاتازها به پیام‌رسان‌های ثانویه متصل نمی‌شوند و باعث می‌شوند اکثر پروتئین فسفاتازها به طور دائمی فعال باشند. در عوض، بیان زیرواحدهای تنظیمی مختلف تعیین می‌کند که کدام سوبستراها دفسفریله می‌شوند و فسفاتاز در کجای سلول‌ها قرار دارد.

Protein phosphatase 1 (PP1). PP1 is a dimer consisting of one catalytic subunit and one regulatory subunit (see Figure 7.10A). PP1 activity is determined by which of the more than 200 different regulatory subunits binds to its catalytic subunit. PP1 also is regulated by phosphorylation of regulatory subunits by PP1 is one of the most prevalent Ser/Thr protein phosphatases in mammalian cells and dephosphorylates a wide array of substrate proteins. In addition to its well-studied regulation of metabolic enzymes, PP1 can also influence neuronal electrical signaling by dephosphorylating K⁺ and Ca²⁺ channels, as well as neurotransmitter receptors such as AMPA-type and NMDA-type glutamate receptors.

• پروتئین فسفاتاز ۱ (PP1). PP1 یک دایمر متشکل از یک زیر واحد کاتالیزوری و یک زیر واحد تنظیمی است (شکل ۷.۱۰A را ببینید). فعالیت PP1 توسط اینکه کدام یک از بیش از ۲۰۰ زیر واحد تنظیمی مختلف به زیر واحد کاتالیزوری آن متصل می‌شود، تعیین می‌شود. PP1 همچنین توسط فسفوریلاسیون زیر واحدهای تنظیمی توسط PP1 تنظیم می‌شود. PP1 یکی از رایج‌ترین پروتئین فسفاتازهای Ser/Thr در سلول‌های پستانداران است و طیف وسیعی از پروتئین‌های سوبسترا را دفسفریله می‌کند. علاوه بر تنظیم آنزیم‌های متابولیک که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، PP1 همچنین می‌تواند با دفسفریله کردن کانال‌های ⁺K و ⁺Ca² و همچنین گیرنده‌های انتقال‌دهنده عصبی مانند گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA و NMDA، بر سیگنال‌دهی الکتریکی نورونی تأثیر بگذارد.

Protein phosphatase 2A (PP2A). PP2A is one of the most abundant enzymes in the brain and accounts for approximately 1% of the total amount of protein found within PP2A is a multisubunit enzyme consisting of both catalytic and regulatory subunits, as well as an additional scaffold subunit that brings together the catalytic and regulatory subunits (see Figure 7.10B). There are two different versions of the catalytic and scaffold subunits and approximately 25 different regulatory subunits. Different combinations of these three subunits yield more than 80 different versions of PP2A. PP2A has a broad range of substrates that overlap with those of PP1. One of its best-studied substrates is tau, a protein associated with microtubules in the cytoskeleton. Alzheimer’s disease is associated with excessive phosphorylation of tau, perhaps due to defects in PP2A. Alterations in PP2A activity also have been implicated in other neurodegenerative diseases, as well as in cancer and diabetes. Although PP2A is constitutively active, its activity can be regulated by phosphorylation and other post-translational modifications of both the catalytic and regulatory subunits.

• پروتئین فسفاتاز 2A (PP2A). PP2A یکی از فراوان‌ترین آنزیم‌ها در مغز است و تقریباً 1٪ از کل پروتئین موجود در PP2A را تشکیل می‌دهد. این آنزیم چند زیر واحدی متشکل از زیر واحدهای کاتالیزوری و تنظیمی و همچنین یک زیر واحد داربستی اضافی است که زیر واحدهای کاتالیزوری و تنظیمی را گرد هم می‌آورد (شکل 7.10B را ببینید). دو نسخه مختلف از زیر واحدهای کاتالیزوری و داربستی و تقریباً 25 زیر واحد تنظیمی مختلف وجود دارد. ترکیبات مختلف این سه زیر واحد، بیش از 80 نسخه مختلف از PP2A را ایجاد می‌کند. PP2A طیف گسترده‌ای از سوبستراها را دارد که با سوبستراهای PP1 همپوشانی دارند. یکی از بهترین سوبستراهای مورد مطالعه آن، تائو است، پروتئینی مرتبط با میکروتوبول‌ها در اسکلت سلولی. بیماری آلزایمر با فسفوریلاسیون بیش از حد تائو مرتبط است، شاید به دلیل نقص در PP2A. تغییرات در فعالیت PP2A همچنین در سایر بیماری‌های نورودژنراتیو و همچنین در سرطان و دیابت نقش داشته است. اگرچه PP2A به طور دائمی فعال است، اما فعالیت آن می‌تواند توسط فسفوریلاسیون و سایر تغییرات پس از ترجمه هر دو زیرواحد کاتالیزوری و تنظیمی تنظیم شود.

Protein phosphatase 2B (PP2B). PP2B, or calcineurin, is present at high levels in neurons and comprises a catalytic subunit and a regulatory subunit (see Figure 7.10C). Un- like the activity of PP1 and PP2A, PP2B activity is acutely controlled by intracellular Ca²⁺ signaling: Ca²⁺/calmod- ulin activates PP2B by binding to the catalytic subunit and displacing the inhibitory regulatory domain, thereby activating PP2B. Even though both PP2B and CaMKII are activated by Ca²⁺/calmodulin, they generally have different molecular targets. Substrates of PP2B include a transcriptional regulator, NFAT, and ion channels. Dephosphorylation of AMPA-type glutamate receptors by PP2B is thought to play a central role in signal transduction during long-term depression of hippocampal synapses (see Chapter 8).

پروتئین فسفاتاز 2B (PP2B). PP2B یا کلسینورین، در سطوح بالایی در نورون‌ها وجود دارد و شامل یک زیر واحد کاتالیزوری و یک زیر واحد تنظیمی است (شکل 7.10C را ببینید). برخلاف فعالیت PP1 و PP2A، فعالیت PP2B به شدت توسط سیگنالینگ ⁺Ca² درون سلولی کنترل می‌شود: ⁺Ca²/کالمودولین با اتصال به زیر واحد کاتالیزوری و جابجایی دامنه تنظیمی مهاری، PP2B را فعال می‌کند و در نتیجه PP2B را فعال می‌کند. اگرچه PP2B و CaMKII هر دو توسط ⁺Ca²/کالمودولین فعال می‌شوند، اما عموماً اهداف مولکولی متفاوتی دارند. سوبستراهای PP2B شامل یک تنظیم‌کننده رونویسی، NFAT و کانال‌های یونی هستند. تصور می‌شود که دفسفوریلاسیون گیرنده‌های گلوتامات نوع AMPA توسط PP2B نقش محوری در انتقال سیگنال در طول سرکوب طولانی مدت سیناپس‌های هیپوکامپ ایفا می‌کند (به فصل 8 مراجعه کنید).

In summary, activation of membrane receptors can elicit complex cascades of enzyme activation, result- ing in second-messenger production and protein phosphorylation or dephosphorylation. These cytoplasmic signals produce a variety of physiological responses by transiently regulating enzyme activity, ion channels, cy- toskeletal proteins, and many other cellular processes. In- tracellular signaling mechanisms also serve as targets for numerous psychiatric disorders (Clinical Applications). At excitatory synapses, these signaling components are often contained within dendritic spines, which appear to serve as specialized signaling compartments within neurons (Box 7B). In addition, such signals can propagate to the nucleus and cause long-lasting changes in gene expression.

به طور خلاصه، فعال شدن گیرنده‌های غشایی می‌تواند آبشارهای پیچیده‌ای از فعال‌سازی آنزیم‌ها را ایجاد کند که منجر به تولید پیام‌رسان ثانویه و فسفوریلاسیون یا دفسفوریلاسیون پروتئین می‌شود. این سیگنال‌های سیتوپلاسمی با تنظیم موقت فعالیت آنزیم، کانال‌های یونی، پروتئین‌های اسکلت سلولی و بسیاری از فرآیندهای سلولی دیگر، پاسخ‌های فیزیولوژیکی متنوعی ایجاد می‌کنند. مکانیسم‌های سیگنال‌دهی درون سلولی همچنین به عنوان هدف برای اختلالات روانی متعدد عمل می‌کنند (کاربردهای بالینی). در سیناپس‌های تحریکی، این اجزای سیگنال‌دهی اغلب در داخل خارهای دندریتی قرار دارند که به نظر می‌رسد به عنوان محفظه‌های سیگنال‌دهی تخصصی در نورون‌ها عمل می‌کنند (کادر 7B). علاوه بر این، چنین سیگنال‌هایی می‌توانند به هسته منتشر شوند و باعث تغییرات طولانی‌مدت در بیان ژن شوند.

FIGURE 7.10 Types of protein phosphatases. (A) Structure of PP1, consisting of a catalytic subunit (red) bound to spinophilin (blue), a regulatory subunit found in dendritic spines. (B) PP2A is a trimeric enzyme that has a scaffold subunit (yellow), in addition to the catalytic (red) and regulatory (blue) subunits common to other phosphatases. (C) The activity of PP2B, or calcineurin, is regu- lated by Ca²⁺/calmodulin. In the absence of Ca²⁺/calmodulin (left), part of the regulatory subunit blocks the active site of the catalytic subunit, preventing phosphatase activity.Binding of Ca²⁺/calmodulin to the regulatorysubunit relieves this blockade, allowing PP2B to dephosphorylate its substrate proteins. (A from Bollen et al., 2010; B from Cho and Xu, 2007; C after Li et al., 2011.)

شکل ۷.۱۰ انواع پروتئین فسفاتازها. (الف) ساختار PP1، متشکل از یک زیر واحد کاتالیزوری (قرمز) متصل به اسپینوفیلین (آبی)، یک زیر واحد تنظیمی که در خارهای دندریتی یافت می‌شود. (ب) PP2A یک آنزیم تریمری است که علاوه بر زیر واحدهای کاتالیزوری (قرمز) و تنظیمی (آبی) که در سایر فسفاتازها مشترک است، یک زیر واحد داربستی (زرد) نیز دارد. (ج) فعالیت PP2B یا کلسینورین توسط ⁺Ca²/کالمودولین تنظیم می‌شود. در غیاب ⁺Ca²/کالمودولین (چپ)، بخشی از زیر واحد تنظیمی، جایگاه فعال زیر واحد کاتالیزوری را مسدود می‌کند و از فعالیت فسفاتاز جلوگیری می‌کند. اتصال ⁺Ca²/کالمودولین به زیر واحد تنظیمی، این انسداد را برطرف می‌کند و به PP2B اجازه می‌دهد تا پروتئین‌های سوبسترای خود را دفسفریله کند. (الف از بولن و همکاران، ۲۰۱۰؛ ب از چو و شو، ۲۰۰۷؛ ج از لی و همکاران، ۲۰۱۱.)

CLINICAL  APPLICATIONS

Molecular Basis of Psychiatric Disorders

Defective molecular signaling at synapses has been strongly implicated in a number of psychiatric diseases, including psychoses, mood disorders, and anxiety disorders.