化学受容体ヘリカルヘアピン制御キナーゼシグナル伝達におけるコンフォーメーションの変化

Conformational shifts in a chemoreceptor helical hairpin control kinase signaling in .

• Qun Gao
• Anchun Cheng
• John S Parkinson

抄録

運動性のある細胞は、化学受容体シグナル伝達アレイを用いて化学勾配を正確に追跡している。化学受容体分子の細胞質ヘアピン先端の高度に保存された残基は、三量体ベースのシグナル伝達複合体の形成を促進し、CheAキナーゼパートナーの活性を調節している。セリン受容体Tsrのヘアピン先端の出力状態を調べるために、塩橋残基対E385-R388のアミノ酸置換によるシグナル伝達の結果を特徴付けた。すべての変異型受容体は三量体とシグナル伝達複合体を形成していたが、ほとんどの変異型受容体は軟寒天アッセイにおいてセリン走化性をサポートすることができなかった。いずれかの残基での小さな側鎖置換は、野生型と同様にセリン刺激に反応するOFF-またはON-シフトした出力を産生し、これらの受容体は野生型と同様に2つの状態のシグナル伝達デバイスとして動作することを示唆している。より大きな脂肪族または芳香族側鎖は、遅いまたは部分的なキナーゼ制御応答を引き起こし、アレイの協調性を促進するコアシグナリングユニット間の接続に依存していることが証明された。つの主要なアダプター-キナーゼコンタクト（インターフェース２）の１つを欠いた変異体では、これらの変異体受容体は、より野生型の挙動を示した。最後に、荷電アミノ酸置換を有する変異型受容体は、キナーゼ-ON(E385K|R)またはキナーゼ-OFF(R388D|E)出力でロックされたシグナル伝達複合体を構築した。このような異常なシグナル伝達特性を持つ変異型受容体のヘアピン先端は、おそらく非ネイティブな構造や動的な挙動を持っていると考えられる。これらの結果は、ケモエフェクター刺激と適応的な修飾が、コアシグナル伝達ユニット間の協調的な接続に影響を与えていることを示唆している。このような配列リモデリングのプロセスは、受容体コアシグナル伝達複合体のCheWとCheA.P5の構成要素間の界面1と2の相互作用の相対的な強さの活性依存性の変化に関与している可能性がある。

Motile cells use chemoreceptor signaling arrays to track chemical gradients with exquisite precision. Highly conserved residues in the cytoplasmic hairpin tip of chemoreceptor molecules promote assembly of trimer-based signaling complexes and modulate the activity of their CheA kinase partners. To explore hairpin tip output states in the serine receptor Tsr, we characterized the signaling consequences of amino acid replacements at the salt-bridge residue pair E385-R388. All mutant receptors assembled trimers and signaling complexes, but most failed to support serine chemotaxis in soft agar assays. Small side-chain replacements at either residue produced OFF- or ON-shifted outputs that responded to serine stimuli in wild-type fashion, suggesting that these receptors, like the wild-type, operate as two-state signaling devices. Larger aliphatic or aromatic side chains caused slow or partial kinase control responses that proved dependent on the connections between core signaling units that promote array cooperativity. In a mutant lacking one of two key adapter-kinase contacts (interface 2), those mutant receptors exhibited more wild-type behaviors. Lastly, mutant receptors with charged amino acid replacements assembled signaling complexes that were locked in kinase-ON (E385K|R) or kinase-OFF (R388D|E) output. The hairpin tips of mutant receptors with these more aberrant signaling properties probably have nonnative structures or dynamic behaviors. Our results suggest that chemoeffector stimuli and adaptational modifications influence the cooperative connections between core signaling units. This array remodeling process may involve activity-dependent changes in the relative strengths of interface 1 and 2 interactions between the CheW and CheA.P5 components of receptor core signaling complexes.

Copyright © 2019 the Author(s). Published by PNAS.