Multisite phosphorylation is an important mechanism of post-translational control of protein kinases. The effects of combinations of possible phosphorylation states on protein kinase activity are difficult to study experimentally because of challenges in isolating a particular phosphorylation state; surprising little effort on this topic has been expended in computational studies. To understand the effects of multisite phosphorylation on the plant protein kinase brassinosteroid insensitive 1-associated kinase 1 (BAK1) conformational ensemble, we performed Gaussian accelerated molecular dynamics simulations on eight BAK1 mod-forms involving phosphorylation of the four activation-loop threonine residues and binding of ATP-Mg2+. We find that unphosphorylated BAK1 transitions into an inactive conformation with a "cracked" activation loop and with the αC helix swung away from the active site. T450 phosphorylation can prevent the activation loop from cracking and keep the αC helix in an active-like conformation, whereas phosphorylation of T455 only slightly stabilizes the activation loop. There is a general trend of reduced flexibility in interlobe motion with increased phosphorylation. Interestingly, the αC helix is destabilized when the activation loop is fully phosphorylated but is again stabilized with ATP-Mg2+ bound. Our results provide insight into the mechanism of phosphorylation-controlled BAK1 activation while at the same time represent the first, to our knowledge, comprehensive, comparative study of the effects of combinatorial phosphorylation states on protein kinase conformational dynamics.

中文翻译：

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BAK1激酶域多位点磷酸化的结构后果

多位点磷酸化是蛋白激酶翻译后调控的重要机制。由于分离特定磷酸化状态存在挑战，因此难以通过实验研究可能的磷酸化状态组合对蛋白激酶活性的影响。令人惊讶的是，在计算研究中在这个主题上付出的努力很少。为了了解多位点磷酸化对植物蛋白激酶油菜素内酯不敏感 1 相关激酶 1 (BAK1) 构象集合的影响，我们对八种 BAK1 mod 形式进行了高斯加速分子动力学模拟，涉及四个活化环苏氨酸残基的磷酸化和结合ATP-Mg2+。我们发现未磷酸化的 BAK1 转变为具有“破裂”的无活性构象 激活环和αC螺旋从活性位点摆动。T450 磷酸化可以防止激活环破裂并使 αC 螺旋保持类似活性的构象，而 T455 的磷酸化仅略微稳定了激活环。随着磷酸化的增加，叶间运动的灵活性普遍降低。有趣的是，当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋会不稳定，但会再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。T450 磷酸化可以防止激活环破裂并使 αC 螺旋保持类似活性的构象，而 T455 的磷酸化仅略微稳定了激活环。随着磷酸化的增加，叶间运动的灵活性普遍降低。有趣的是，当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋会不稳定，但会再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。T450 磷酸化可以防止激活环破裂并使 αC 螺旋保持类似活性的构象，而 T455 的磷酸化仅略微稳定了激活环。随着磷酸化的增加，叶间运动的灵活性普遍降低。有趣的是，当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋会不稳定，但会再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。而 T455 的磷酸化仅略微稳定了激活环。随着磷酸化的增加，叶间运动的灵活性普遍降低。有趣的是，当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋会不稳定，但会再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。而 T455 的磷酸化仅略微稳定了激活环。随着磷酸化的增加，叶间运动的灵活性普遍降低。有趣的是，当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋会不稳定，但会再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋不稳定，但再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。当激活环完全磷酸化时，αC 螺旋不稳定，但再次与 ATP-Mg2+ 结合稳定。我们的结果提供了对磷酸化控制的 BAK1 激活机制的深入了解，同时代表了第一个，据我们所知，对组合磷酸化状态对蛋白激酶构象动力学的影响的综合比较研究。