銅におけるイオン取り込みの構造基盤

Mar 01, 2024

Nature Communications volume 13、記事番号: 5121 (2022) この記事を引用

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銅は生きた細胞にとって不可欠ですが、濃度が高くなると有毒です。 クラス 1B P 型 (P1B-) ATPase はあらゆる生物界に存在し、銅を含む遷移金属の細胞輸送を促進します。 P 型 ATPase は、内向きの E1 構造と外向きの E2 構造を備えた交互アクセス機構に従います。 それにもかかわらず、P1B-ATPase については E1 状態に関する構造情報が入手できず、機構の理解が妨げられています。 今回我々は、E1 立体構造にある銅特異的 P1B-ATPase の 2.7 Å 分解能に達する構造を、補足的なデータと解析とともに提示します。 私たちの取り組みにより、イオン供与性シャペロンとの相互作用のための空間を生成するドメイン配置が明らかになり、膜貫通コアへの直接的なCu+移動が示唆されました。 メチオニンは、シャペロン結合イオンの放出を助け、CPC シグネチャー モチーフのシステインと一緒にカーゴ侵入部位を形成することで重要な役割を果たします。 まとめると、この発見は P1B を介した輸送に関する洞察を提供し、おそらくヒトの P1B メンバーにも適用可能です。

銅は細胞内で重要な機能を実行する遷移金属であるため、あらゆる生命界の生物にとって必須の微量栄養素です。 還元 (Cu+) 状態と酸化 (Cu2+) 状態の間で酸化還元サイクルを行うその能力は、細胞呼吸などの基本的な代謝プロセスに重要な、チトクロム c オキシダーゼや NADH デヒドロゲナーゼなどの重要な酵素のパレットで利用されています1。 それにもかかわらず、細胞内の遊離銅は有毒なヒドロキシルラジカルの形成を引き起こし、タンパク質から他の金属を置き換える可能性があります2。 その結果、細胞内の銅レベルは、数多くの専用のシャペロン、調節因子、および輸出タンパク質、特に銅輸送 P 型 ATPase によって媒介されて厳しく制御されています。

P 型 ATPase は、ATP 加水分解からのエネルギーを生体膜を通過する貨物の輸送に結び付ける大きなスーパーファミリーを構成します。 それらは、金属陽イオンからリン脂質 4、ポリアミン 5、膜貫通ヘリックス 6 までの範囲の配列同一性と輸送特異性 3 に基づいて、最大 4 つのサブクラス AD を持つ 5 つのサブファミリー P1 ～ 5 に細分されます。 遷移金属特異的サブクラス 1B (P1B-ATPase) は、細胞内部からの Zn2+、Co2+、Fe2+ などの流出を触媒し、歴史的に P1B-1- (CopA) と P1B-3- に細分される銅特異的メンバーが含まれます。 ATPアーゼ（CopB）7、8。 P1B-ATPase は原核生物に豊富に存在し、生物を重金属ストレスから保護します。 ヒトには、ATP7A と ATP7B という 2 つの CopA タンパク質が存在します。 これらのメンバーの機能不全は、それぞれ重度の神経障害であるメンケス病とウィルソン病を引き起こします9,10。

P 型 ATPase は、3 つの細胞質ゾル (アクチュエーター (A-)、リン酸化 (P-)、およびヌクレオチド結合 (N-)) ドメインと、遍在する 6 つの膜貫通 (M-) ドメインで構成される共通の全体構造を共有しています。膜貫通ヘリックス、M1〜M6（補足図1）。 さらに、P1B-ATPase は 2 つの N 末端膜貫通ヘリックス MA および MB と、典型的には 1 ～ 6 つの N 末端重金属結合ドメイン (HMBD) を持ち、後者はイオンの取り込みおよび/またはその両方に関連する機能に関して謎めいた役割を持っています。規制11、12、13。 このスーパーファミリーは、細胞質（in）から細胞外/管腔へ輸送された貨物に対して、それぞれ高い親和性と低い親和性を持つ内向きのE1構造と低い親和性を持つ外向きのE2構造によって定義される交互のアクセス機構である、いわゆるポスト・アルバース反応サイクルに従います。 （外側）側面（図1）14、15。 サイトゾルからの貨物の取り込みと閉塞は E1 立体構造で行われ、P ドメイン内で不変の触媒アスパラギン酸の ATP 依存性リン酸化により E1P 形態が生成され、これが外向きの E2P 状態への移行につながります。 その後、積荷は細胞外空間に放出され、脱リン酸化 (E2) されると、ポンプは内向きの E1 構造に戻ります。