[论文解读] Multiple binding modes of AKT on PIP$_3$-containing membranes

Yuki Nakagaki, Eiji Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2026

PI3K/AKT/mTOR signaling in cancer被引用 0

一句话总结

该研究使用粗粒化分子动力学模拟揭示了全长AKT在含PIP3的膜上四种不同的膜结合模式，显示PH域和激酶域的协同相互作用以及PIP3依赖的模式切换。

ABSTRACT

The PI3K/AKT signaling pathway is triggered by recruitment of AKT to cellular membranes. Although AKT is a multidomain serine/threonine kinase composed of an N-terminal pleckstrin homology (PH) domain and a C-terminal kinase domain, how these domains cooperate to regulate AKT activation on membranes remains unclear at the molecular level. Here, using molecular dynamics simulations of full-length AKT on PIP$_3$-containing lipid bilayers, we identify four distinct membrane-binding modes that differ in the orientations and membrane contacts of the PH and kinase domains. In addition to PIP$_3$ binding to the PH domain, we observe specific PIP$_3$ interactions with basic residues in the kinase domain. In the most stable mode, PIP$_3$ interacts with both the canonical and a secondary binding site in the PH domain, while the kinase domain adopts an orientation in which the activation-loop phosphorylation site is exposed to the solvent. Interestingly, the populations of these binding modes depend on the PIP$_3$ concentration in the membrane, leading to changes in the preferred orientation of AKT. These findings shed light on how lipid recognition by the PH domain and the kinase domain of AKT cooperatively shape its membrane-bound conformations.

研究动机与目标

• 理解AKT的PH域和激酶域如何协同结合含PIP3的膜。
• 表征全长AKT在膜上的取向和膜接触。
• 识别不同的膜结合模式，以及PIP3浓度如何影响模式偏好。
• 在结合模式中绘制PIP3残基级别的相互作用，以揭示结合位点的使用。

提出的方法

• 使用Martini 2.2力场，对全长AKT在含PIP3的脂双层中进行粗粒化分子动力学模拟，蛋白-蛋白LJ相互作用缩放为93%。
• 将AKT放置在距膜大约15 nm的位置，进行十个50 μs的生产运行以观察结合。
• 从PH和激酶域螺旋构建膜结合取向角度theta和phi，并绘制二维密度图。
• 应用PCA后再进行DBSCAN聚类以识别不同的膜结合模式。
• 在0.7 nm内计算残基级PIP3接触以绘制结合位点，并分析各模式下AKT周围的PIP3密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 全长AKT在含PIP3的膜上可能的膜结合取向是什么？
• RQ2 PH域和激酶域在不同取向下如何与PIP3及彼此相互作用？
• RQ3 PIP3浓度如何影响结合模式偏好与激活就绪的取向？
• RQ4 哪些AKT残基参与跨模式的PIP3结合，以及典型PH域位点和次级PH域位点如何被利用？
• RQ5 观察到的结合模式是否揭示AKT激活位点（Thr308、Ser473）如何暴露在溶剂中的机制？

主要发现

• AKT主要通过PH域与膜结合，COM距离的强峰为3.8 nm，另外有一个7.0 nm的次峰。
• 存在四种膜结合模式（Cluster I–IV），具有不同的PH/激酶域取向，其中Cluster I显示PH域直立，激酶N-/C-叶片接触膜。
• 在最稳定的模式中，PIP3同时与典型的PH位点和次级PH位点结合，而激活环暴露以供Thr308和Ser473等位点的磷酸化。
• PIP3也与激酶域中带正电性的残基发生相互作用，尽管这些接触比PH域接触更分散、较弱。
• 增加PIP3浓度会增加激酶域的PIP3接触并稳定有利于暴露激活位点的取向（跨多个簇）；在低PIP3下，PH域接触占主导，激酶接触减弱。
• 在较低PIP3（每叶片两个PIP3）条件下，激酶域的稳定性下降，但PH域的经典/次级位点结合仍然对AKT膜结合至关重要。