摘要：通過生化與冷凍電鏡技術，揭示ZAK激酶在核糖體碰撞中的激活機制。
在細胞內(nèi)，蛋白質(zhì)合成是一個高度調(diào)控的過程，它不僅涉及遺傳信息的準確傳遞，還與細胞的應激反應密切相關。當翻譯過程中出現(xiàn)障礙時，例如mRNA的損傷或營養(yǎng)缺乏，細胞內(nèi)的核糖體會暫時停滯，這種停滯會導致相鄰的核糖體發(fā)生碰撞。這種核糖體碰撞不僅是細胞內(nèi)質(zhì)量控制機制的觸發(fā)信號，還與廣泛的應激信號通路相關，其中MAP3K ZAK介導的應激反應（RSR）在細胞命運調(diào)控中起著關鍵作用。ZAK通過磷酸化下游的MAPKs（如p38和JNK）來啟動一系列細胞應激反應，包括細胞周期停滯和細胞凋亡。
圖1 在碰撞核糖體處引發(fā)的ZAK激活
盡管ZAK在細胞應激反應中扮演重要角色，但其與核糖體的相互作用機制及其如何被激活仍不完全清楚。近期的研究通過結合生化實驗與冷凍電鏡技術，揭示了ZAK與核糖體之間復雜的相互作用網(wǎng)絡。這些相互作用不僅決定了ZAK在正常條件下的穩(wěn)定結合，還決定了其在應激條件下的激活。研究發(fā)現(xiàn)，ZAK在核糖體上的結合和激活依賴于多個關鍵結構域和蛋白相互作用位點，其中RACK1是一個重要的支架蛋白，能夠促進ZAK的激活。
ZAK的C端區(qū)域包含多個與核糖體結合的關鍵結構域，如與核糖體蛋白eS27和ES7的相互作用位點，這些結構域在未發(fā)生碰撞時就已經(jīng)與核糖體結合，可能起到“采樣”作用，即在未應激狀態(tài)下，ZAK通過這些位點與核糖體的多個部分建立弱相互作用，以保持其在細胞內(nèi)的分布。然而，當發(fā)生核糖體碰撞時，ZAK的結構域會重新排列，使其與RACK1的特定區(qū)域（如RIM和RIH）發(fā)生更緊密的結合，從而促進其SAM結構域的二聚化。這種SAM結構域的二聚化是ZAK激活的關鍵步驟，它可能通過結構上的改變促進其自身磷酸化，進而引發(fā)下游信號通路的激活。
研究還發(fā)現(xiàn)，ZAK的激活過程受到另一種核糖體結合蛋白SERBP1的負調(diào)控。SERBP1通過與RACK1的特定區(qū)域（FPxL motif）結合，與ZAK競爭RACK1的結合位點，從而防止ZAK在未發(fā)生碰撞時被激活。這一發(fā)現(xiàn)提示，SERBP1可能作為ZAK的天然抑制因子，確保ZAK僅在特定的應激條件下被激活，從而避免不必要的細胞損傷。
圖2 ZAKα蛋白結合碰撞二聚體核糖體的冷凍電鏡結構
此外，研究還揭示了ZAK的SAM結構域在核糖體碰撞后的關鍵作用。SAM結構域的二聚化不僅促進ZAK的激活，還可能影響其與其他信號分子（如14-3-3蛋白）的相互作用，這些蛋白在ZAK激活后會幫助其招募到下游效應器上，從而啟動應激反應。ZAK的某些突變形式，如F368C和W347S，表現(xiàn)出超活性，能夠在沒有核糖體碰撞的情況下激活ZAK，這表明SAM結構域本身可能具有調(diào)控ZAK的活性和抑制功能。
研究中還通過不同實驗方法驗證了這些結構域和相互作用位點的功能。例如，通過免疫印跡和CLIP-seq分析，研究人員確認了ZAK在核糖體上的結合模式及其在碰撞后的激活狀態(tài)。這些實驗不僅揭示了ZAK與核糖體的相互作用，還進一步說明了SAM結構域的二聚化是ZAK激活的核心機制。
總體來看，這項研究為理解ZAK如何在核糖體碰撞后被激活提供了分子層面的藍圖。ZAK的激活過程涉及多個結構域的協(xié)同作用，包括C端的結合位點、RIH和RIM的碰撞特異性相互作用，以及SAM結構域的二聚化。這些相互作用共同構成了一個精密的調(diào)控網(wǎng)絡，確保ZAK在合適的時機被激活，從而引發(fā)細胞的應激反應。同時，研究還揭示了SERBP1在抑制ZAK激活中的作用，這為理解細胞如何在正常條件下維持ZAK的非激活狀態(tài)提供了重要線索。
此外，研究還探討了ZAK的活性調(diào)控是否依賴于核糖體。通過引入不同的突變體，研究人員發(fā)現(xiàn)，某些SAM結構域的突變可以繞過核糖體碰撞，直接導致ZAK的激活。這表明，ZAK的活性調(diào)控可能不僅僅依賴于核糖體的物理碰撞，而是通過其結構域的相互作用來實現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)為未來研究ZAK及其他SAM結構域蛋白的調(diào)控機制提供了新的視角。
綜上所述，ZAK在細胞應激反應中的作用機制是復雜的，涉及多個結構域與核糖體及其相關蛋白的相互作用。這些相互作用不僅決定了ZAK在細胞內(nèi)的分布和結合，還決定了其是否能夠被激活。
參考資料
[1] ZAK activation at the collided ribosome
摘要：通過生化與冷凍電鏡技術，揭示ZAK激酶在核糖體碰撞中的激活機制。
在細胞內(nèi)，蛋白質(zhì)合成是一個高度調(diào)控的過程，它不僅涉及遺傳信息的準確傳遞，還與細胞的應激反應密切相關。當翻譯過程中出現(xiàn)障礙時，例如mRNA的損傷或營養(yǎng)缺乏，細胞內(nèi)的核糖體會暫時停滯，這種停滯會導致相鄰的核糖體發(fā)生碰撞。這種核糖體碰撞不僅是細胞內(nèi)質(zhì)量控制機制的觸發(fā)信號，還與廣泛的應激信號通路相關，其中MAP3K ZAK介導的應激反應（RSR）在細胞命運調(diào)控中起著關鍵作用。ZAK通過磷酸化下游的MAPKs（如p38和JNK）來啟動一系列細胞應激反應，包括細胞周期停滯和細胞凋亡。
圖1 在碰撞核糖體處引發(fā)的ZAK激活
盡管ZAK在細胞應激反應中扮演重要角色，但其與核糖體的相互作用機制及其如何被激活仍不完全清楚。近期的研究通過結合生化實驗與冷凍電鏡技術，揭示了ZAK與核糖體之間復雜的相互作用網(wǎng)絡。這些相互作用不僅決定了ZAK在正常條件下的穩(wěn)定結合，還決定了其在應激條件下的激活。研究發(fā)現(xiàn)，ZAK在核糖體上的結合和激活依賴于多個關鍵結構域和蛋白相互作用位點，其中RACK1是一個重要的支架蛋白，能夠促進ZAK的激活。
ZAK的C端區(qū)域包含多個與核糖體結合的關鍵結構域，如與核糖體蛋白eS27和ES7的相互作用位點，這些結構域在未發(fā)生碰撞時就已經(jīng)與核糖體結合，可能起到“采樣”作用，即在未應激狀態(tài)下，ZAK通過這些位點與核糖體的多個部分建立弱相互作用，以保持其在細胞內(nèi)的分布。然而，當發(fā)生核糖體碰撞時，ZAK的結構域會重新排列，使其與RACK1的特定區(qū)域（如RIM和RIH）發(fā)生更緊密的結合，從而促進其SAM結構域的二聚化。這種SAM結構域的二聚化是ZAK激活的關鍵步驟，它可能通過結構上的改變促進其自身磷酸化，進而引發(fā)下游信號通路的激活。
研究還發(fā)現(xiàn)，ZAK的激活過程受到另一種核糖體結合蛋白SERBP1的負調(diào)控。SERBP1通過與RACK1的特定區(qū)域（FPxL motif）結合，與ZAK競爭RACK1的結合位點，從而防止ZAK在未發(fā)生碰撞時被激活。這一發(fā)現(xiàn)提示，SERBP1可能作為ZAK的天然抑制因子，確保ZAK僅在特定的應激條件下被激活，從而避免不必要的細胞損傷。
圖2 ZAKα蛋白結合碰撞二聚體核糖體的冷凍電鏡結構
此外，研究還揭示了ZAK的SAM結構域在核糖體碰撞后的關鍵作用。SAM結構域的二聚化不僅促進ZAK的激活，還可能影響其與其他信號分子（如14-3-3蛋白）的相互作用，這些蛋白在ZAK激活后會幫助其招募到下游效應器上，從而啟動應激反應。ZAK的某些突變形式，如F368C和W347S，表現(xiàn)出超活性，能夠在沒有核糖體碰撞的情況下激活ZAK，這表明SAM結構域本身可能具有調(diào)控ZAK的活性和抑制功能。
研究中還通過不同實驗方法驗證了這些結構域和相互作用位點的功能。例如，通過免疫印跡和CLIP-seq分析，研究人員確認了ZAK在核糖體上的結合模式及其在碰撞后的激活狀態(tài)。這些實驗不僅揭示了ZAK與核糖體的相互作用，還進一步說明了SAM結構域的二聚化是ZAK激活的核心機制。
總體來看，這項研究為理解ZAK如何在核糖體碰撞后被激活提供了分子層面的藍圖。ZAK的激活過程涉及多個結構域的協(xié)同作用，包括C端的結合位點、RIH和RIM的碰撞特異性相互作用，以及SAM結構域的二聚化。這些相互作用共同構成了一個精密的調(diào)控網(wǎng)絡，確保ZAK在合適的時機被激活，從而引發(fā)細胞的應激反應。同時，研究還揭示了SERBP1在抑制ZAK激活中的作用，這為理解細胞如何在正常條件下維持ZAK的非激活狀態(tài)提供了重要線索。
此外，研究還探討了ZAK的活性調(diào)控是否依賴于核糖體。通過引入不同的突變體，研究人員發(fā)現(xiàn)，某些SAM結構域的突變可以繞過核糖體碰撞，直接導致ZAK的激活。這表明，ZAK的活性調(diào)控可能不僅僅依賴于核糖體的物理碰撞，而是通過其結構域的相互作用來實現(xiàn)。這一發(fā)現(xiàn)為未來研究ZAK及其他SAM結構域蛋白的調(diào)控機制提供了新的視角。
綜上所述，ZAK在細胞應激反應中的作用機制是復雜的，涉及多個結構域與核糖體及其相關蛋白的相互作用。這些相互作用不僅決定了ZAK在細胞內(nèi)的分布和結合，還決定了其是否能夠被激活。
參考資料
[1] ZAK activation at the collided ribosome
