Base molecolare per il legame del recettore di adesione dell'integrina a p21

Biologia delle comunicazioni volume 5, numero articolo: 1257 (2022) Citare questo articolo

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I recettori di adesione delle integrine forniscono collegamenti tra ligandi extracellulari e segnalazione citoplasmatica. È stato scoperto che numerose chinasi interagiscono direttamente con le code dell'integrina β, ma le basi molecolari di queste interazioni rimangono sconosciute. Qui, valutiamo l'interazione tra il dominio chinasico della chinasi 4 attivata da p21 (PAK4) e la coda citoplasmatica dell'integrina β5. Determiniamo tre strutture cristalline dei complessi di integrine PAK4-β5 e identifichiamo il sito di legame PAK. Questa è una regione nella metà prossimale della membrana della coda β5 e confermata dalla mutagenesi sito-diretta. La coda β5 impegna il solco di legame del substrato chinasi e posiziona il residuo di integrina non fosforilabile Glu767 nel sito del fosfoaccettore. Coerentemente con ciò, l'integrina β5 è scarsamente fosforilata da PAK4 e, in linea con la sua capacità di occludere il sito di legame del substrato, inibisce debolmente l'attività della chinasi. Questi risultati dimostrano le basi molecolari delle interazioni integrina β5-PAK4 ma suggeriscono modifiche nella comprensione del potenziale ruolo cellulare di questa interazione.

I recettori di adesione delle integrine sono i principali mediatori dell'adesione cellula-substrato e svolgono un ruolo vitale nel controllo della morfologia, migrazione e differenziazione cellulare1,2,3,4. È importante sottolineare che, legando i ligandi extracellulari attraverso le loro complesse porzioni extracellulari multidominio e associandosi a scaffold di segnalazione intracellulare, proteine ​​citoscheletriche ed enzimi attraverso le loro corte code citoplasmatiche, queste glicoproteine ​​eterodimeriche trasmettono forza meccanica e segnali biochimici in modo bidirezionale attraverso la membrana plasmatica5,6,7 . La segnalazione inside-out comporta l'interazione della coda citoplasmatica della subunità β dell'integrina con proteine ​​che aumentano (ad esempio talina, kindlin) o riducono (ad esempio filamina, ICAP1) l'affinità dell'integrina per i ligandi extracellulari8,9; gli strumenti della biologia strutturale si sono rivelati fondamentali per comprendere come avvengono questi effetti e per definire i meccanismi della segnalazione inside-out a livello molecolare10,11,12,13,14,15. È stato dimostrato che la segnalazione outside-in coinvolge l'attivazione extracellulare innescata dal ligando delle cascate di segnalazione intracellulare in gran parte attraverso le interazioni delle code β dell'integrina con la segnalazione citoplasmatica e le reti di proteine ​​adattatrici16,17. Per studiare i meccanismi di queste azioni sono state utilizzate tecniche di biologia strutturale, ma la base della segnalazione outside-in rimane meno compresa rispetto alla segnalazione inside-out18,19,20.

Il gruppo di serina/treonina chinasi p21-attivata (PAK) svolge un ruolo importante nell'adesione cellulare, nella motilità, nella crescita e nella sopravvivenza21,22,23,24. Queste chinasi sono funzionalmente sotto il controllo delle piccole GTPasi della famiglia Rho, sebbene la base molecolare della regolazione differisca tra i gruppi25,26,27,28,29 e si ritiene che la loro attività sia influenzata da altri partner leganti25,30,31. Oltre al loro ruolo di enzimi, i PAK modulano anche la segnalazione agendo come proteine ​​adattatrici32,33. Pertanto, analogamente alle integrine, la funzione PAK è influenzata da una serie di proteine ​​partner. In particolare, le interazioni tra la coda citoplasmatica dell'integrina β5 e il dominio chinasi PAK4 sono state rilevate nei test 2-ibridi del lievito, mediante pull-down con code β5 ricombinanti e mediante co-immunoprecipitazione34. Questo legame è stato implicato nel controllo mediato dall'adesione dell'attività PAK4 e nella motilità cellulare35,36 ma le conoscenze meccanicistiche sono state limitate a causa della mancanza di informazioni dettagliate sull'interazione.

La funzione delle integrine può essere modulata dalle loro code citoplasmatiche che interagiscono con le proteine ​​chinasi e vengono fosforilate da esse37,38. Gli studi su PAK4 suggeriscono un legame diretto con la coda citoplasmatica dell'integrina β534 seguito da una fosforilazione mirata dei suoi residui di serina35. Allo stesso modo, è stato dimostrato che la tirosina chinasi non recettoriale, Arg, si lega direttamente alla coda citoplasmatica dell'integrina β1 portando alla fosforilazione della tirosina della coda β1 mediata da Arg39. Al contrario, le interazioni non catalitiche tra le code dell'integrina β1 e il dominio pseudochinasico di ILK sono state implicate nel controllo indipendente dalla fosforilazione della segnalazione dell'integrina40,41,42, suggerendo che il legame non catalitico tra i recettori dell'integrina e i domini chinasici ha il potenziale per fornire ulteriori modalità non canoniche di modulazione del segnale sia per le integrine che per le chinasi. Questi esempi rappresentano diversi potenziali meccanismi di interazione coda-chinasi dell'integrina, ma fino ad ora queste interazioni hanno resistito allo studio a livello molecolare. Pertanto, abbiamo utilizzato un approccio diretto dalla struttura per sondare le interazioni della coda dell'integrina β5 con PAK4. Abbiamo determinato una serie di strutture cristalline e osservato una modalità inaspettata di interazione del partner che lega la chinasi; scopriamo che la coda citoplasmatica dell'integrina β5 impegna il solco di legame del substrato di PAK4 in un modo insolito che non consente la fosforilazione dell'integrina e inibisce l'attività di PAK4 contro altri substrati, risolvendo le basi molecolari su come PAK4 può interagire con i recettori dell'integrina.