PDZ结构域的结构特点及其识别特异性配体的机制

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中国生物化学与分子生物学报
第 27 卷
它结构域如 SH3（ src homology） 、PTB（ phosphotyrosine binding） 等串联（ Fig． 1） ［5］，使它能与众多的蛋白发生 相互作用 ，在蛋 白 质 定 位 、信 号 转 导 和 蛋 白 质 复 合 体 的组装等方面发挥着重要的功能．
此后，一种类似 PDZ 的结 构 域 在 细 菌 和 植 物 中 被发现，它具有与经典的 PDZ 结 构 域 相 类 似 的 二 级 和三级结构，但 却 表 现 出 不 同 的 拓 扑 结 构． Liao 等 从 斜 生 栅 藻 光 系 统 Ⅱ 中 的 D1P （ D1 C-terminal processing protease） 中 首 次 获 得 类 PDZ 结 构 域 的 晶 体结构． 将 D1P 的 B 结 构 域 折 叠 成 的 PDZ 与 其 它 几种后生动物的 PDZ 进行拓扑 学 上 的 对 比，发 现 在 二级和三级结构上均表现出高度的类似性． 而它们 结构上显著的不同 之 处 在 于，D1P 的 B 结 构 域 一 级 结构的 C 末端对应于后生动物 PDZ 结构域 N 末端 的 βA 链，在 D1P 的 B 结 构 域 折 叠 后，其 C 末 端 这 条链就占据了 与 经 典 PDZ 结 构 域 N 末 端 的 βA 链 同 样 的 位 置 和 方 向［7］． 在 大 肠 杆 菌 的 TSP （ tailspecific protease） 蛋 白 酶 中 也 发 现 了 该 环 状 交 换 的 折叠，同样具有结合 C 末端序列的功能［8］．
Abstract PDZ domains are one class of important protein-protein recognition modules that regulate multiple biological processes such as intracellular transport，ion channels，and various signal transduction pathways． PDZ domains are small globular domains composed of 80 ～ 100 amino acid residues． Some PDZ domains repeated in multi-PDZ proteins need to connect in a tandem arrangement to fold properly． Other PDZ domains can also bind to each other to form homo-or hetero-dimers． These domains specifically recognize short peptide motifs at the extreme C-terminal of target proteins，but some domains can bind to internal sequences folded in a β-hairpin structure． The interactions of PDZ domains in some scaffold proteins with membrane lipids increase their affinity to membrane． This review discussed the structural characterization of PDZ domains and the molecular mechanism of their recognition by specific ligands． These results provide a structural basis for understanding the function of PDZ-containing proteins． Key words PDZ domains； PDZ-PDZ dimer； ligand； internal sequence
PDZ 结构域是介导蛋白质之间相互作用的重要 的结构域之一． PDZ 的名称来源于最早发现含有此 结构 域 的 3 个 蛋 白 质： Post-synaptic density protein95 （ PSD-95） 、Discs large （ DLG） 、Zonula occludens 1 （ ZO-1 ） 首 字 母 的 缩 写［1］，先 前 也 被 称 为 Dlg homologous region （ DHR ） ［2］． 由 于 最 初 确 定 的 PDZ 结构域含有 Gly-Leu-Gly-Phe 保守序列，所以又被称 为 GLGF 重复序 列［3］． PDZ 结 构 域 广 泛 存 在 于 从 细 菌、酵母、果蝇到高等动植物的多种蛋白质中［4］，1 个 蛋白质可以 含 有 1 个 或 多 个 PDZ 结 构 域，也 可 与 其
PDZ 结构域的结构特点及其识别特异性配体的机制
李 华1） ， 林 葵2） ， 吴 更3） *
（ 上海交通大学生命科学技术学院，微生物代谢国家重点实验室，上海 200240 ）
摘要 PDZ 结构域作为介导蛋白 质 之 间 相 互 作 用 的 重 要 结 构 域 之 一，参 与 到 细 胞 内 运 输、离 子 通 道、以及各种信号传导通路等多种生物学过程． PDZ 结构域是由 80 ～ 100 个氨基酸组成的小的球状 结构域，对某些多 PDZ 结构域蛋白 来 说，需 要 一 前 一 后 形 成 串 联 体 才 能 正 确 折 叠． 另 外，PDZ 结 构 域相互之间也可以形成同源或异源二聚体． 这些 PDZ 结构域的突出特点是能特异性地识别配体靶 蛋白 C 末端短的氨基酸序列，但有些也能识别靶蛋白的内部 β 发夹结构． 而一些支架 蛋 白 的 PDZ 结构域与细胞膜上脂类的相互作用则增加了其与膜的亲和性． 本文简要概括了 PDZ 结构域的结构 特点及其对配体的各种特异性识别的机制，从而为研究各种 PDZ 蛋白的功能提供了结构基础． 关键词 PDZ 结构域； PDZ-PDZ 二聚体； 配体； 内部序列 中图分类号 Q51
收稿日期： 2011-09 -09 ； 接受日期： 2011-11-07 国家自然科学基金项目（ No． 30900225，30821005，90919021） ； 上海市教育 委员会科技创新项目（ No． 09ZZ23） ； 上海市曙光计划（ No． 08SG11） * 联系人 Tel： 021 -34205914 ； E-mail： geng． wu@ sjtu． edu． cn Received： September 9 ，2011； Accepted： November 7，2011 Supported by National Natural Science Foundation of China （ No． 30900225， 30821005， 90919021 ） and Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission （ No. 09ZZ23 ） and the “Dawn”Program of Shanghai Education Commission （ No. 08SG11） * Corresponding author Tel： 021 -34205914 ； E-mail： geng． wu@ sjtu． edu． cn
Structural Characterization of PDZ Domains and Molecular Mechanism of Their Recognition by Specific Ligands
LI Hua1） ，LIN Kui2） ，WU Geng3） *
（ School of Life Sciences and Biotechnology，State Key Laboratory of Microbial Metabolism， Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240 ，China）
Doyle 等最早解出了 PSD-95 的 PDZ3 的三维结 构［6］． 此后，有许 多 蛋 白 质 的 PDZ 结 构 域 的 晶 体 结 构被解 析 出 来，如 SAP97 （ synapse associated protein 97 ） 的 PDZ3、Syntrophin 及 人 类 CASK （ calcium / calmodulin-dependent serine protein kinase ） 单 独 的 PDZ、人 类 Par-3b （ PDZ-domain-containing adapterlike proteins ） 的 PDZ2、Na + / H + 交 换 调 节 因 子 NHERF（ sodium-hydrogen exchanger regulatory factor） 的 PDZ1 等． PDZ 结 构 域 由 80 ～ 100 个 氨 基 酸 残 基 组成，折叠成 紧 密 的 球 状 结 构． 典 型 的 PDZ 结 构 域 通常包 括 6 个 β 折 叠 片 （ βA-βF ） 和 2 个 α 螺 旋 （ αA、αB） ． 它的 N 端和 C 端在由 αB 和 βB 形 成 的 PDZ 肽结合位点的 另 外 一 侧 相 互 靠 近，这 种 高 度 组 装的结构能够 使 PDZ 结 构 域 较 易 整 合 到 蛋 白 质 中 而不会发生显著的结构破坏． αB 与 βB 形成 1 个疏 水性的凹槽，识别以反向平行 β 折叠片的方式伸入 其中的配体的 C 末端肽（ Fig． 2A） ．
1. 2 串联 PDZ 结构域 许多 PDZ 蛋白不止包含 1 个 PDZ 结构域，可能
含有 2 个 或 更 多，例 如 PSD-95 含 有 3 个 PDZ，InaD （ inactivation no after-potential D） 则 有 5 个． 大 部 分 从 PDZ 蛋白分离出来的单个 PDZ 都能正确折叠成 其天然 构 象，然 而 有 一 些 PDZ 却 需 要 在 另 外 1 个 PDZ 的协助下，以一 前 一 后 串 联 的 方 式 才 能 正 确 折 叠，并且该串 联 的 PDZ 以 1 个 功 能 单 位 发 挥 作 用， 如 GRIP-1（ glutamate receptor-interacting protein 1） 的 PDZ4 和 PDZ5，串 联 的 PDZ4-PDZ5 只 能 结 合 1 个 GluR2（ glutamate receptor subunits 2） 肽． 结构分析发 现，PDZ4 含 有 1 个 变 形 的 肽 结 合 凹 槽，该 结 构 由 PDZ5 稳 定 并 维 持，而 单 独 的 PDZ5 完 全 不 能 折 叠． 在串联结构中，PDZ4 和 其 连 接 区 段 共 同 促 进 PDZ5 的正 确 折叠，从 而 发 挥 其 功 能［9］． 同 样，在 GRIP-1 串 联 的 PDZ1-PDZ2 中，PDZ1 的 折 叠 严 格 依 赖 于 PDZ2 的 存 在，并 且 配 体 Fras1 只 结 合 到 PDZ1 上 （ Fig． 2B） ． ［10］ 在 X11 的 C 端 有 串 联 的 PDZ1-PDZ2， 其 C 端的尾部 折 叠 回 来 插 入 到 PDZ1 的 肽 结 合 环， 抑制了其它配体的结合，这种 PDZ 串 联 体 的 自 我 抑 制构象揭示了 X11 独特的配体结合性质［11］． 1. 3 PDZ-PDZ 二聚体