Protein kinase A (PKA) is a key regulator of cellular functions by selectively phosphorylating numerous substrates, including ion channels, enzymes, and transcription factors. It has long served as a model system for understanding the eukaryotic kinases. Using cryoelectron microscopy, we present complex structures of the PKA catalytic subunit (PKA-C) bound to a full-length protein substrate, the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)—an ion channel vital to human health. CFTR gating requires phosphorylation of its regulatory (R) domain. Unphosphorylated CFTR engages PKA-C at two locations, establishing two “catalytic stations” near to, but not directly involving, the R domain. This configuration, coupled with the conformational flexibility of the R domain, permits transient interactions of the eleven spatially separated phosphorylation sites. Furthermore, we determined two structures of the open-pore CFTR stabilized by PKA-C, providing a molecular basis to understand how PKA-C stimulates CFTR currents even in the absence of phosphorylation.

中文翻译：

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蛋白激酶 A 与 CFTR 复合物的结构：磷酸化和非催化激活的机制


蛋白激酶 A （PKA） 是细胞功能的关键调节因子，可选择性磷酸化多种底物，包括离子通道、酶和转录因子。长期以来，它一直是理解真核激酶的模型系统。使用冷冻电子显微镜，我们展示了 PKA 催化亚基 （PKA-C） 的复杂结构，该亚基与全长蛋白质底物、囊性纤维化跨膜电导调节剂 （CFTR） 结合，这是一种对人类健康至关重要的离子通道。CFTR 门控需要其调节 （R） 结构域的磷酸化。未磷酸化的 CFTR 在两个位置与 PKA-C 结合，在 R 结构域附近建立两个“催化站”，但不直接涉及 R 结构域。这种配置，再加上 R 结构域的构象灵活性，允许 11 个空间分离的磷酸化位点发生瞬时相互作用。此外，我们确定了由 PKA-C 稳定的开孔 CFTR 的两种结构，为了解 PKA-C 如何在没有磷酸化的情况下刺激 CFTR 电流提供了分子基础。