Histidina quinase

proteína histidina quinase
Estrutura cristalográfica da ATP:proteína-L-histidina N-fosfotransferase baseada nas coordenadas PDB 2c2a.
Identificadores
Número EC	2.7.13.3
Número CAS	99283-67-7
Bases de datos
IntEnz	vista de IntEnz
BRENDA	entrada de BRENDA
ExPASy	vista de NiceZyme
KEGG	entrada de KEGG
MetaCyc	vía metabólica
PRIAM	perfil
Estruturas PDB	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology	AmiGO / EGO
Procura PMC artigos PubMed artigos NCBI Protein procura

As histidina quinases (HK) son proteínas encimáticas da clase das transferases, multifunctionais e tipicamente transmembrana, propias dos reinos de seres vivos distintos do animal, que desempeñan un importante papel na transdución de sinais a través da membrana plasmática, e funcionan transferindo fosfatos a un residuo de histidina dunha proteína.^[1] A gran maioría das histidina quinases son homodímeros que mostran actividade de autoquinase (autocatalítica), fosfotransferencia e de fosfatase. As moléculas receptoras multifuncionais como as HK e RTK teñen unha porción na parte externa da célula (o dominio extracelular) que se une a moléculas similares a hormonas ou de tipo factor de crecemento, unha porción que abrangue todo o grosor da membrana da célula (o dominio transmembrana), e outra porción na parte interna da célula (o dominio intracelular), que contén a actividade encimática. Os dominios intracelulares, ademais da súa actividade quinase, normalmente teñen rexións que se unen a unha molécula efectora secundaria ou a un complexo de moléculas que incrementa a propagación da transdución de sinais polo interior da célula. A diferenza doutras clases de proteína quinases, as histidina quinase xeralmente forman parte dun mecanismo de transdución de dous compoñentes no cal a histidina quinase transfire un grupo fosfato desde o ATP a un residuo de histidina da quinase, e despois a un residuo de aspartato no dominio receptor dunha proteína reguladora da resposta (ou ás veces á propia quinase). Máis recentemente, recoñeceuse a existencia moi estendida en células humanas de fosforilación de proteínas en histidinas pero diferente da que presentan as histidina quinases de dous compoñentes.^[2][3] Hai que salientar que, en marcado contraste coa fosforilación de serina, treonina e tirosina, a análise da histidina fosforilada usando análises bioquímicos estándar e espectrometría de masas é moito máis complicada.^[4][5]

En termos encimolóxicos, unha histidina quinase (EC 2.7.13.3, EnvZ, histidina proteína quinase, proteína histidina quinase, proteína quinase (histidina), HK1, HP165, Sln1p) é un encima que cataliza a reacción química

ATP + proteína L-histidina ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ ADP + proteína N-fosfo-L-histidina.

Os dous substratos deste encima son a ATP e a L-histidina da proteína, mentres que os dous produtos son o ADP e a proteína N-fosfo-L-histidina.

Este tipo de encimas está implicado nas vías de transdución de sinais augas arriba das rutas de moitos procesos celulares, como varias vías metabólicas, de virulencia e homeostáticas.

Mecanismo

Mecnismo proposto da histidina quinase, mostrando a fosforilación do tele-nitróxeno. A fosforilación do pros-nitróxeno ocorre por medio do outro tautómero de histidina. B = base encimática non especificada.

Os mecanismos das reaccións catalizadas pola histidina quinase non foron esclarecidas totalmente, mais as evidencias das que se dispón actualmente indican que o dominio catalítico dunha unidade dímera pode rotar de tal maneira que o peto de unión ao ATP desa unidade pode quedar en contacto cun residuo de histidina determinado na unidade oposta, e unha adición nucleofílica ten como resultado a fosforilación da histidina.^[6]

Estrutura e función

Unha histidina quinase está composta de varios dominios empezando por unha curta porción N-terminal citoplasmática conectada a un dominio extracelular sensor por medio dunha hálice α transmembrana. Unha segunda hélice α transmembrana conecta o dominio extracelular ao dominio catalítico citoplásmico C-terminal. As histidina quinases desempeñan funcións en moitas vías de transducións de sinais, polo que non é sorprendente que o dominio sensor extracelular non estea moi conservado na familia das histidina quinases. Ao contrario, o dominio citoplasmático adoita ter unha alta homoloxía de secuencias e contén varios motivos estruturais ben coñecidos. Entre estes motivos están as caixas H, N, G1, F e G2.^[7] A caixa H de autofosforilación está contida no dominio de fosfotransferencia (DHp) á histidina e dimerización N-terminal. Na HK853-CD, que foi cristalizada da bacteria Thermotoga maritima, este dominio é unha forquita helicoidal e está formado polos residuos 232 a 317. O sitio de fosforilación da histidina está localizado na His-260. As caixas N, G1, F e G2 están contidas no dominio de unión ao ATP catalítico (CA) C-terminal. Este dominio está formado polos residuos 323 a 489 e forma unha estrutura chamada pregamento en sándwich α/β. Este pregamento ten unha capa composta por unha folla β de 5 febras e a outra capa que está constituída por tres hélices α.

A unidade dímera mantense unida por un conxunto de catro hélices, formado cando os segmentos C-terminais da hélice α1 de cada subunidade interacciona de maneira antiparalela con ambas as hélices α2. A estabilidade do dímero está favorecida por varias interaccións que se establecen na interface entre o DHp de cada monómero, como interaccións hidrofóbicas entre residuos hidrófobos conservados e dúas pontes de hidrfóxeno (Thr-252^...Glu-316’ e Arg-263^...Asn-307’) e unha ponte salina (Lys-270^...Glu-303’). Interaccións adicionais prodúcense por medio de enlaces de hidróxeno coa auga na cavidade do interior da hélice superenrolada e flanqueada por residuos hidrofóbicos.

Estrutura e contorna do peto de unión ao ATP da HK853. Os residuos importantes están etiquetados e as esferas vermellas son moléculas de auga.

O peto de unión do nucleótido/ATP está contido no dominio CA e a semellanza estrutural deste peto é alta entre a maioría das histidina quinases. A cavidade da CheA, tamén se cristalizou de T. maritima, e está formada por folla β P4 na parte posterior e as partes laterais da cavidade están formadas polos 4 motivos mencionados antes, as caixas N, G1, F e G2.^[8] A maioría dos residuos da folla β son hidrofóbicos coa excepción do Asp449. Este residuo é invariable e forma unha ponte de hidróxeno xunto cunha molécula de auga co grupo amino da adenina. Outras tres moléculas de auga forman enlaces de hidróxeno directas coa base adenina. Un ión Mg²⁺ forma unha ponte entre os tres fosfatos e un residuo de Asn invariable. Finalmente, dúas moléculas máis de auga completan a coordinación octaédrica con Mg²⁺ e están ligadas á Arg-408 e His-405. Cando se desestabiliza o fosfato gamma do ATP, o Mg²⁺ xa non se observa debido á súa incapacidade para coordinarse octaedricamente. Marina et al. argumentan que na HK853 ocorre unha coordinación similar do Mg²⁺, pero non se observa debido ao uso de AMPPNP (un análogo do ATP) na estrutura do cristal.^[6] Durante a cristalización, o análogo foi hidrolizado dando un produto similar ao ADP.

O lado final do peto de unión do ATP é adecuadamente chamado “tapa do ATP”. A estabilidade desta estrutura está mediada pola presenza do fosfato gamma e do ión Mg²⁺ no sitio de unión. Ademais, a presenza da base nucleótida xoga un importante papel na estabilización da tapa nunha conformación pechada. A tapa do ATP está conectada por medio de residuos hidrófobos co resto da proteína. O fosfato gamma do ATP está en parte exposto permitindo a desfosforilación. Unha vez que o ATP se une a este peto, crese que ocorre un cambio conformacional que permite a rotación do dominio CA para entrar en contacto co DHp do outro monómero e isto permite que a His-260 conservada quede preto do fosfato gamma. O Nε da His-260 entón ataca o fosfato gamma do ATP nunha adición nucleófila e elimínase ADP como grupo saínte.

Papel en infeccións fúnxicas

Un sistema regulador de dous compoñentes no que intervén a histidina quinase xunto cunha proteína reguladora da resposta variable pode ser fundamental para a virulencia dalgunhas cepas fúnxicas como Candida albicans, que a miúdo é responsable de causar a candidíase en persoas inmunocomprometidas.^[9] C. albicans cunha deleción de CHK1 (o xene da histidina quinase de dous compoñentes) mostra defectos na morfoxénese e un drástico decrecemento das capacidades da célula para resistir a súa eliminación polos neutrófilos humanos. Como os humanos carecen deste sistema de dous compoñentes, este pode ser unha boa diana para os axentes antimicrobianos usados para tratar a candidíase.

Notas

1. Wolanin PW, Thomason PA, Stock JB (2002). "Histidine protein kinases: key signal transducers outside the animal kingdom". Genome Biology 3 (10): reviews3013.1–3013.8. PMC 244915. PMID 12372152. doi:10.1186/gb-2002-3-10-reviews3013. Arquivado dende o orixinal o 26 de agosto de 2015. Consultado o 08 de setembro de 2017. 
2. Fuhs SR, Hunter T (2017). "pHisphorylation: the emergence of histidine phosphorylation as a reversible regulatory modification". Curr Opin Cell Biol 45: 8–16. PMID 28129587. 
3. Fuhs SR, Meisenhelder J, Aslanian A, Ma L, Zagorska A, Stankova M, Binnie A, Al-Obeidi F, Mauger J, Lemke G, Yates JR 3rd, Hunter T (2015). "Monoclonal 1- and 3-Phosphohistidine Antibodies: New Tools to Study Histidine Phosphorylation". Cell 162: 198–210. PMID 26140597. 
4. Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Hardman GE, Eyers CE (2014). "Gas-phase intermolecular phosphate transfer within a phosphohistidine phosphopeptide dimer.". Int J Mass Spectrometry. 367: 28–34. PMID 25844054. 
5. Gonzalez-Sanchez MB, Lanucara F, Helm M, Eyers CE (2013). "Attempting to rewrite History: challenges with the analysis of histidine-phosphorylated peptides.". Biochem Soc Trans. 41: 1089–1095. PMID 23863184. 
6. Marina A, Waldburger CD, Hendrickson WA (December 2005). "Structure of the entire cytoplasmic portion of a sensor histidine-kinase protein". EMBO J. 24 (24): 4247–59. PMC 1356327. PMID 16319927. doi:10.1038/sj.emboj.7600886. 
7. Parkinson JS, Kofoid EC (1992). "Communication modules in bacterial signaling proteins". Annu. Rev. Genet. 26: 71–112. PMID 1482126. doi:10.1146/annurev.ge.26.120192.000443. 
8. Bilwes AM, Quezada CM, Croal LR, Crane BR, Simon MI (April 2001). "Nucleotide binding by the histidine kinase CheA". Nat. Struct. Biol. 8 (4): 353–60. PMID 11276258. doi:10.1038/86243. 
9. Torosantucci A, Chiani P, De Bernardis F, Cassone A, Calera JA, Calderone R (February 2002). "Deletion of the Two-Component Histidine Kinase Gene (CHK1) of Candida albicans Contributes to Enhanced Growth Inhibition and Killing by Human Neutrophils In Vitro". Infect. Immun. 70 (2): 985–7. PMC 127696. PMID 11796636. doi:10.1128/IAI.70.2.985-987.2002. 

Véxase tamén

Bibliografía

• Kowluru A (2002). "Identification and characterization of a novel protein histidine kinase in the islet beta cell: evidence for its regulation by mastoparan, an activator of G-proteins and insulin secretion". Biochem. Pharmacol. 63 (12): 2091–100. PMID 12110368. doi:10.1016/S0006-2952(02)01025-0. 
• Yoshimi A, Tsuda M, Tanaka C (2004). "Cloning and characterization of the histidine kinase gene Dic1 from Cochliobolus heterostrophus that confers dicarboximide resistance and osmotic adaptation". Mol. Genet. Genomics. 271 (2): 228–36. PMID 14752661. doi:10.1007/s00438-003-0974-4. 
• Beier D, Frank R (2000). "Molecular Characterization of Two-Component Systems of Helicobacter pylori". J. Bacteriol. 182 (8): 2068–76. PMC 111253. PMID 10735847. doi:10.1128/JB.182.8.2068-2076.2000. 
• Pflock M, Dietz P, Schar J, Beier D (2004). "Genetic evidence for histidine kinase HP165 being an acid sensor of Helicobacter pylori". FEMS Microbiol. Lett. 234 (1): 51–61. PMID 15109719. doi:10.1111/j.1574-6968.2004.tb09512.x. 
• Roberts DL, Bennett DW, Forst SA (1994). "Identification of the site of phosphorylation on the osmosensor, EnvZ, of Escherichia coli". J. Biol. Chem. 269 (12): 8728–33. PMID 8132603. 
• Alexandrine M. Bilwes; Lisa A. Alex; Brian R. Crane; Melvin I. Simon (1999). "Structure of CheA, a Signal-Transducing Histidine Kinase". Cell 96 (1): 131–41. PMID 9989504. doi:10.1016/S0092-8674(00)80966-6. 
• Ryan L. Brunsing; Chandra La Clair; Sharon Tang; Christina Chiang; Lynn E. Hancock; Marta Perego; James A Hoch (2005). "Characterization of Sporulation Histidine Kinases of Bacillus anthracis". J. Bacteriol. 187 (20): 6972–81. PMC 1251614. PMID 16199567. doi:10.1128/JB.187.20.6972-6981.2005. 
• Amr Eldakak; F. Marion Hulett (2007). "Cys303 in the Histidine Kinase PhoR Is Crucial for the Phosphotransfer Reaction in the PhoPR Two-Component System in Bacillus subtilis". J. Bacteriol. 189 (2): 410–21. PMC 1797398. PMID 17085571. doi:10.1128/JB.01205-06. 
• Hirschman A, Boukhvalova M, VanBruggen R, Wolfe AJ, Stewart RC (November 2001). "Active site mutations in CheA, the signal-transducing protein kinase of the chemotaxis system in Escherichia coli". Biochemistry 40 (46): 13876–87. PMID 11705377. doi:10.1021/bi0113622.