Structural studies on cell signaling modulators, PTPIP51, BRD4, and MerTK

Abstract

Cell signaling dominates essential cellular activities and coordinates multicellular activity. The ability of cells to perceive and accurately respond to microenvironments is the basis of tissue repair, development, and immunity. Errors in signal transduction and cellular information processing can cause cancers, autoimmune diseases, and diabetes. Therefore, to target the diseases associated with signaling, comprehensive understandings of cell signaling are required. Regulations of cellular signals are accomplished by various proteins, including kinase/phosphatase enzymes and scaffold proteins. Kinase/phosphatase enzymes act as switches to turn signals on and off through direct phosphorylation and dephosphorylation. One of these proteins, MerTK, is a receptor tyrosine kinase (RTK), which initiates signals that promote cell proliferation through autophosphorylation after dimerization by extrinsic stimulations. However, scaffold proteins play essential roles in controlling intracellular signaling by recruiting multiple factors and forming complexes with the kinase/phosphatase enzymes to regulate positive or negative feedback or facilitate phosphorylation. BRD4 interacts with P-TEFb complex to facilitate RNA polymerase II phosphorylation, thereby engaging in the signaling that promotes gene transcriptions. PTPIP51 has been known to be involved in regulating MAPK signal pathways through interacting with PTP1B and 14-3-3 proteins. In order to get a structural basis on modulator proteins in signaling and apply the structural insights to develop effective drugs targeting aberrant signalings, I conducted structural studies on the three signaling modulator proteins, PTPIP51, BRD4, and MerTK, using X-ray crystallography. In this paper, I reported the 1) structural and functional studies of PTPIP51, 2) structural analyses of complexes of BRD4-aristoyagonine derivative inhibitors, and 3) identification of a MerTK inhibitors using biochemical assays and structural analysis of MerTK-inhibitor complex. The second chapter discussed the new insight into PTPIP51 as a phosphatic acid (PA) transfer protein, not as a scaffold protein at the mitochondrial-associated ER membranes (MAMs). In the third and fourth chapters, I performed structural analyses of X-ray crystallography to elucidate the binding modes of inhibitors of BRD4 or MerTK, respectively. In addition, the third chapter discussed structural insights for the development of MerTK inhibitors with higher affinity and selectivity. The three studies described in this paper presented new insights into cellular signaling and its modulation and are good examples of structural studies of signaling regulators. |세포신호는 필수적인 세포 활동을 제어하고 다세포 활동을 조정한다. 미세 환경을 인지하고 정확하게 반응하는 세포의 능력은 발달, 조직 수리 및 발달, 조직 수리, 면역의 기초이다. 신호 전달과 세포 정보 처리의 오류는 암, 자가 면역, 당뇨병을 일으킬 수 있다. 이러한 세포 신호와 관련된 질병들을 더 효과적치료하기 위해서는 신호 전달에 대한 포괄적인 이해가 필요하다. 세포 신호의 조절은 인산화효소/탈인산화효소와 스캐폴드 단백질과 같은 다양한 종류의 단백질에 의해 이루어진다. 인산화효소/탈인산화효소는 직접적인 인산화나 탈인산화를 통해 신호를 켜고 끄는 스위치 역할을 한다. 이 단백질 중 하나인 MerTK는 수용체 티로신 인산화효소 (RTK)로, 외인자극에 의한 이질화 후 자기인산화로 세포 증식을 촉진하는 신호를 발생시킨다. 그러나, 스캐폴드 단백질은 양성 또는 음성 피드백을 조절하거나 인산화를 용이하게 하기 위해 여러 인자를 모집하고 인산화효소/탈인산화효소와 복합체를 형성함으로써 세포 내 신호를 제어하는 데 필수적인 역할을 한다. BRD4는 P-TEFb 복합체와 반응하여 RNA 중합효소 II 인산화 작용을 촉진하여 유전자 전사를 촉진하는 신호 전달에 관여한다. PTPIP51은 14-3-3 및 PTP1B과 반응하여 MAPK의 신호 전달에 관여하는 것으로 알려져 있다. 신호전달 조절 단백질들에 대한 구조적 기초를 얻고, 이상 신호를 표적 하는 효과적인 약물을 개발하기 위한 구조적 통찰을 적용하기 위해 X선 결정학을 이용하여 세 가지 신호전달 조절 단백질 PTPIP51, BRD4, MerTK에 대한 구조적 연구를 실시했다. 본 논문에서, 나는 1) PTPIP51에 대한 구조 및 기능적 연구, 2) BRD4 저해제인 아리스토야고닌 유도체의 구조 분석, 3) 생화학 분석 및 MerTK– 억제제 복합체의 구조 분석을 이용한 MerTK 저해제 개발에 대한 연구를 보고했다. 첫 번째 장은 미토콘드리아 관련 ER막(MAM)에서의 스캐폴드 단백질이 아닌 인산(PA) 전달 단백질로서의 PTPIP51에 대한 새로운 통찰을 설명했다. 두 번째 장과 세 번째 장에서는 X선 결정학의 구조 분석을 수행하여 각각 BRD4와 MerTK의 히트 화합물의 억제 활성의 확인 과정을 보여줬다. 또한 세 번째 장에서는 친화력과 선택성이 높은 MerTK 저해제 개발을 위한 구조적 통찰에 대해 논의하였다. 본 논문에서 설명한 세 가지 연구는 세포신호전달 및 조절에 대한 새로운 통찰력을 제시했으며 신호 조절단백질의 구조적 연구의 좋은 예이다.