アンキリンとスペクトリンの間の強力な相互作用を支える構造的基盤

Structural Basis Underlying Strong Interactions between Ankyrins and Spectrins.

• Jianchao Li
• Keyu Chen
• Ruichi Zhu
• Mingjie Zhang

抄録

アンキリン(Ankyrin-R/B/GまたはAnkR/B/Gに対応するANK1/2/3によってコードされる)は、スペクトルとの結合を介して、機械的強度を維持し、神経細胞、筋肉細胞、赤血球などの多様な細胞の興奮性を調節するために、アクチン細胞骨格と形質膜を接続しています。しかし、このようなアンキリン/β-スペク トリン対を形成する分子機構は明らかにされていない。本研究では、アンキリンがβ-スペク トリンと高い親和性で結合するためには、ZU5-ZU5-UPAタンデム（exZZU）に保存された短い拡張N末端が重要であることを明らかにした。ここで解いたβ2/β4 スペクトリンリピート13-15とAnkB/G exZZUの複合体の構造から、exZZUの拡張配列が付加的なβ鎖を形成し、各ZU5/スペクトリンリピート相互作用の構造安定性と親和性の向上に寄与していることが明らかになりました。この複合体構造から、exZZUのUPAドメインがスペクトルリン結合に直接関与していることが明らかになった。また、exZZU超分子の形成により、ZU5ドメインとUPAドメインが同時にスペクトリンリピート14,15と相互作用することが明らかになった。しかしながら、我々の生化学的・構造的研究から、アンキリンとβ-スペクトルリンの間の直接的で強い相互作用は、それらのペアリング特異性を決定するようには見えないことが示された。そのため、細胞内でのアンキリンとβ-スペク トリンの機能的なペアリングを調節するために、他のメカニズムが存在している可能性が高いと考えられる。

Ankyrins (encoded by ANK1/2/3 corresponding to Ankyrin-R/B/G or AnkR/B/G), via binding to spectrins, connect plasma membranes with actin cytoskeleton to maintain mechanical strengths and to modulate excitabilities of diverse cells such as neurons, muscle cells, and erythrocytes. Cellular and genetic evidences suggest that each isoform of ankyrins pairs with a specific β-spectrin in discrete subcellular membrane microdomains for distinct functions, although the molecular mechanisms underlying such ankyrin/β-spectrin pairings are unknown. In this study, we discover that a conserved and short extension N-terminal to the ZU5-ZU5-UPA tandem (exZZU) is critical for each ankyrin to bind to β-spectrins with high affinities. Structures of AnkB/G exZZU in complex with spectrin repeats13-15 of β2/β4-spectrins solved here reveal that the extension sequence of exZZU forms an additional β-strand contributing to the structural stability and enhanced affinity of each ZU5/spectrin repeat interaction. The complex structures further reveal that the UPA domain of exZZU directly participates in spectrin binding. Formation of the exZZU supramodule juxtaposes the ZU5 and UPA domains for simultaneous interacting with spectrin repeats 14 and 15. However, our biochemical and structural investigations indicate that the direct and strong interactions between ankyrins and β-spectrins do not appear to determine their pairing specificities. Therefore, there likely exists additional mechanism(s) for modulating functional pairings between ankyrins and β-spectrins in cells.

Copyright © 2020 Elsevier Ltd. All rights reserved.