锚蛋白重复序列

锚蛋白重复序列（英语：Ankyrin repeat， 简称 ANK repeat）是自然界中最常见、最通用的蛋白质-蛋白质相互作用结构模体之一。它由约33个氨基酸残基组成，通过其特有的螺旋-转角-螺旋-β-转角折叠结构，形成一个具有结合潜力的曲面，能够特异性地识别并结合多种多样的靶蛋白。该模体以串联重复的形式广泛存在于数千种蛋白质中，参与调控细胞骨架组织、信号转导、细胞周期、转录调控、离子通道功能以及炎症反应等几乎所有的细胞过程[1][2]。

结构与序列特征

1. 基本单元：

   • 单个ANK重复单元形成一个螺旋-转角-螺旋-β-转角的结构。

   • 包含两个反平行的α螺旋（内螺旋和外螺旋）， 中间由一个短环连接，后面跟随一个β-转角（或延伸区域），与下一个重复单元连接。

   • 多个重复单元（通常为2-24个）以串联方式排列，形成一个延伸的、略微弯曲的螺旋束，其内螺旋和外螺旋分别排列在两侧，构成一个连续的、高度保守的结合表面。

2. 序列特征：

   • 尽管序列保守性不高，但存在一些特征性模式。最保守的是位于β-转角区域N端的 TP 或 GH 基序，以及外螺旋中频繁出现的疏水性残基。

   • 这种结构上的高度保守性与序列上的适度可变性相结合，使得不同的ANK重复蛋白能够演化出与广泛靶标结合的特异性。

功能与作用机制

ANK重复结构域本身不具催化活性，其主要功能是作为蛋白质相互作用的支架。

1. 结合特异性与多样性：

   • ANK重复形成的连续曲面提供了大量的接触点，使其能以高亲和力和特异性结合靶蛋白。

   • 不同蛋白质中ANK重复的数量、序列变化以及相邻辅助结构域的存在，共同决定了其结合伙伴的多样性。例如，IKKγ（NEMO）通过其ANK重复结合IKKα/β激酶；Notch受体的胞内域通过ANK重复结合转录共激活因子CSL。

2. 介导亚细胞定位：

   • 许多ANK重复蛋白作为接头蛋白（Adaptor）， 将特定的功能性蛋白募集到细胞骨架或膜上。例如，锚蛋白家族成员通过其ANK重复结构域与血影蛋白（Spectrin）结合，同时通过其他结构域与离子通道（如电压门控钠通道）或细胞粘附分子结合，从而将细胞骨架锚定在质膜上，并维持膜蛋白的稳定分布和功能[3]。

3. 调控蛋白质稳定性与活性：

   • 通过遮蔽或暴露靶蛋白的功能域，ANK重复可以调节其活性或稳定性。例如，p16INK4a肿瘤抑制蛋白通过其ANK重复结合并抑制细胞周期蛋白依赖性激酶4/6，从而阻滞细胞周期。

4. 参与信号复合物组装：作为大型信号复合物的组织中心，如NF-κB信号通路中的IKK复合物组装。

代表性的含ANK重复蛋白

1. 锚蛋白家族（Ankyrins）： 连接膜蛋白与细胞骨架，维持细胞极性和膜稳定性。

2. IκB家族： 通过ANK重复结合NF-κB转录因子，将其滞留在细胞质中，抑制其转录活性。

3. Notch受体胞内域： 介导Notch信号转导，ANK重复是其转录激活功能所必需的。

4. TRP离子通道家族： 许多成员在C端含有ANK重复，可能参与通道组装、膜定位或与调节蛋白的相互作用。

5. 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（如p16INK4a， p18INK4c）。

6. 肿瘤抑制蛋白（如P53的负调节因子Mdm2）。

进化与工程学应用

1. 进化意义：ANK重复是进化中通过基因复制和序列分化产生新功能蛋白的经典范例。其模块化特性使其易于通过增加或减少重复单元数量来快速适应新的相互作用。

2. 蛋白质工程：由于其稳定的折叠和可编程的结合特性，ANK重复被用作构建人工结合蛋白（如 DARPins， Designed Ankyrin Repeat Proteins）的骨架。DARPins具有高稳定性、高溶解性和高亲和力，在治疗、诊断和基础研究中有广泛应用前景[4]。

临床意义

编码含ANK重复蛋白的基因发生突变与多种人类疾病相关：

1. 遗传性疾病：

   • 长QT综合征4型：由ANK2基因突变引起，导致心脏动作电位异常。

   • 遗传性球形红细胞增多症：部分病例由ANK1基因突变引起，影响红细胞膜稳定性。

   • 角膜炎-鱼鳞病-耳聋综合征：与GJB2（连接蛋白26）的ANK重复相互作用蛋白突变相关。

2. 癌症：

   • Notch信号通路成员的ANK重复突变见于多种白血病和实体瘤。

   • p16INK4a的失活突变或缺失在多种癌症中常见。

3. 神经退行性疾病：如阿尔茨海默病中，ANK重复蛋白可能参与淀粉样前体蛋白的加工或tau蛋白的调控。

参考文献

1. Sedgwick, S. G., & Smerdon, S. J. (1999). The ankyrin repeat: a diversity of interactions on a common structural framework. Trends in Biochemical Sciences, *24*(8), 311-316. （ANK重复结构与相互作用的多样性）

2. Li, J., Mahajan, A., & Tsai, M. D. (2006). Ankyrin repeat: a unique motif mediating protein–protein interactions. Biochemistry, *45*(51), 15168-15178. （ANK重复介导蛋白质相互作用的综述）

3. Bennett, V., & Baines, A. J. (2001). Spectrin and ankyrin-based pathways: metazoan inventions for integrating cells into tissues. Physiological Reviews, *81*(3), 1353-1392. （血影蛋白与锚蛋白通路在组织整合中的作用）

4. Plückthun, A. (2015). Designed ankyrin repeat proteins (DARPins): binding proteins for research, diagnostics, and therapy. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, *55*, 489-511. （设计的锚蛋白重复蛋白的应用综述）

5. Mosavi, L. K., Cammett, T. J., Desrosiers, D. C., & Peng, Z. (2004). The ankyrin repeat as molecular architecture for protein recognition. Protein Science, *13*(6), 1435-1448. （ANK重复作为蛋白质识别的分子架构）