前回に引き続き、2019年度の13号目のネイチャーのハイライトより。
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構造生物学：細菌内膜からのリポ多糖の移動
Nature 567, 7749
2019年3月28日
リポ多糖（LPS）はグラム陰性細菌外膜の主要な構成成分で、膜構造の完全性維持に重要な役割を担っており、また多くの抗生物質の細胞内への進入を制限する防護壁としても機能している。LPSの生合成は細胞質で始まり、内膜の外層で完了する。内膜ではタンパク質複合体が膜と膜をつなぐ橋を形成していて、これが内膜から細胞表面へのLPSの輸送を仲介する。LPSが外膜から引き抜かれる際の機構は数年前に明らかにされている。今回、M LiaoとD Kahneのグループはそれぞれ、LPSがその濃度勾配に逆らって内膜から一方向だけに輸送される仕組みの構造学的、生化学的証拠を示している。これは、完全な内膜輸送複合体LptB2FGCのLPSを含む状態と含まない状態、またヌクレオチドが結合していない状態とバナジン酸によって捕捉された状態について初めて得られた構造情報である。これらから明らかになった輸送モデルはABC輸送体の新しい調節機構を示していて、以前のモデルが正しくないことが明らかになった。LPSは細菌の生存に必要とされ、LPSを膜から引き抜く経路は抗生物質の標的となることが明らかになりつつある。そのため、今回の構造は創薬に重要な情報を提供することになるだろう。
NEWS & VIEWS p.471
ARTICLE p.486
LETTER p.550
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これらの論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
ネイチャーの日本語版本誌では、「構造生物学：徐々に輸送されるリポ多糖」と題されています。
見出しにおいては「特定の細菌の2枚の細胞壁の膜の間でリポ多糖と呼ばれる分子を動かすタンパク質複合体は、薬剤の標的である。今回、この複合体の構造から、リポ多糖を不可逆的に輸送する仕組みが明らかになった。」と取り上げられました。
フルテキストを直訳しますと・・・
リポ多糖輸送のラチェット
となります。
見出しを直訳しますと・・・
特定の細菌の2つの細胞壁膜の間でリポ多糖と呼ばれる分子を移動させるタンパク質複合体は、抗生物質の標的です。構造は、この複合体がどのようにしてその負荷を不可逆的に提供するかを明らかにします。
となります。
本文を直訳しますと・・・
感染症を引き起こす多くの細菌は、保護細胞壁の一部を形成する2つの異なる膜に囲まれています。外膜の表面には、リポ多糖（LPS）と呼ばれる糖脂質分子が密に詰まった層があり、有害な洗剤や抗生物質に対するバリアを提供します。 LPSは、内膜で合成された後、輸送されて外膜で組み立てられます[1]。分子は内膜の外層から抽出され、ブリッジを介して外膜に送られ、細胞表面に現れます。 Natureで発表された2つの論文[2,3]は、LPS輸送を駆動する分子プロセスの待望の詳細を提供します。
LPSトランスポート装置の7つのコンポーネントのうち6つ（LptA–Gとして知られている）の構造は完全に特徴付けられています[1,4]。彼らは、LPS分子のポータルが外膜のLptDおよびLptEサブユニットから形成され、1つ以上のブリッジを含むブリッジによって（LptF、LptGおよび2つのLptBサブユニットから形成される）内膜のポンプに接続されていることを明らかにしますLptAサブユニット（図1）。ポンプは、細胞のエネルギー運搬分子である細胞質ATPの結合と加水分解によって駆動されますが、内膜からLPSに結合し、外向きの方向にのみポンプで送る方法は不明でした。パズルを完成させ、ポンプがブリッジに接続される方法を説明するには、内膜タンパク質LptCの全長構造が必要でした。
Li et al.[2]およびOwens et al.[3]がこの問題を解決しました。Li他は低温電子顕微鏡法（クライオEM）を使用して生成された、細菌Escherichia coliからのLptB2FGC複合体の構造を報告します。これらの構造は、複合体がLPS分子にどのように結合するか、およびLPSが捕捉されて橋に押し出されたときに発生する複合体の立体配座の再配置を示します。 Owensらは、他の2つの細菌（Vibrio choleraeおよびEnterobacter cloacae）からのLptB2FGCのX線結晶構造を示し、LPSが外膜に向かって不可逆的に輸送される様子を示しています。
構造生物学の研究では、膜タンパク質は多くの場合、膜の脂質二重層からミセルと呼ばれる界面活性剤の水溶性凝集体に抽出されます。これにより、膜タンパク質の結晶を成長させることができます。しかし、ミセルの構造は天然の膜の構造とは異なるため、プロセスはタンパク質の天然の構造を乱す可能性があります。Li他は代わりに、足場タンパク質によって安定化されるナノディスクとして知られる脂質二重層のミニチュアブロックでLptB2FGCを再構成することを選択しました。ナノディスクに埋め込まれたLptB2FGC複合体は、クライオEMを使用した構造解析に最適であることが判明しました。
以前に報告されたX線研究[5,6]は洗剤ミセルで結晶化したLptB2FGで、LPS分子を収容できるかのように見える内部チャンバーを明らかにしました。このチャンバーがLPS結合ポケットであるという推測は確認できませんでした。LPSがチャンバー内で結合している構造を取得することができなかったためです。LPSが洗剤分子によってチャンバーから移動したためと考えられます。 Liと同僚の努力は、内部チャンバーに埋め込まれた完全なLPS分子を含み、チャンバーの機能がLPSに結合することであることを明確に示しているため、配当を支払っています。
Li他はATPの非存在下、およびADPバナジン酸塩として知られるトラップされたヌクレオチドの存在下で、低温電子顕微鏡を使用してLptB2FGCを研究しました。これは、ATP加水分解反応の遷移状態中にATPの構造を模倣すると考えられています。 （遷移状態は、反応中に形成される分子の構成であり、部分的に壊れた結合と部分的に形成された結合の存在によって特徴付けられます。）ATPフリー構造とADPバナデートトラップ構造の比較は、LPSが外部リーフレットから通過することを示唆しています。チャンバー側の開いた空洞を通る内膜。次に、LptBからLptFとLptGの膜貫通ドメインに送信された構造の再配置により、LPSが所定の位置にロックされてから、ブリッジに沿って押し出されます。ただし、ATPの結合と加水分解のステップがLPSの輸送とどのように関連しているかを正確に判断するには、さらに作業が必要です。
膜から排出されると、LPS分子は約90°回転して、LptFのLPS結合モチーフ（β-jellyrollドメインとして知られている）内に局在します。 LptFとLptGの両方にβ-jellyrollドメインが含まれていますが、LptFだけがLptC、LptA、LptDのβ-jellyrollドメインと相互接続し、それによって外膜へのブリッジを形成しています。
LptB_2FG複合体（つまり、LptCを欠いた複合体）の以前の研究[5,6]は、LPSの横方向の侵入に対して2つのもっともらしい経路を持つほぼ対称的な構造を明らかにしました。論理的な提案[4,6]は、トランスポーターに入るLPS分子が2つの経路間で交互になるというものでした。 Li他からの新しい知見のため、このモデルは破棄する必要があります。およびオーウェンス等。 LptCがトランスポーターの構造的対称性を壊し、LPSが1つのルートだけで入るようにすることを示します。
対称性の破れは、LptCの単一の膜貫通ヘリックスがLptGの最初の膜貫通ヘリックスとLptFの5番目の膜貫通ヘリックスの間にくさびを付けるために発生します。さらに、LptCのβ-jellyrollドメインは、LptFのβジェリーロールドメインの上に積み重なるように伸び、LPSをトラフィッキングするための連続的な溝を形成します。その結果、LPSのエントリとトランスポートの1つの経路のみが新しい構造で定義されます。Owens等は、光架橋と呼ばれる生化学的手法を使用して、LPSがLptGをバイパスし、LptFを介してブリッジにアクセスする[5]ことを確認しました。他の細菌5のLPSトランスポーターがLptGを介してブリッジにアクセスするかどうかはまだ不明です。
重要なことに、両方の研究は、ATP加水分解が、LptCを欠く複合体よりもLptB_2FGC複合体でのLPS輸送に効率的に結合していることを示しています。ATPの結合と加水分解の各サイクルは、内部チャンバーからの1つのLPS分子の排除に結合されます。浮かび上がる画像は、LPS分子の単一ラインがキューを介してキューを個別に通過するようにキューイングされたものです。しかし、このキューイングモデルは直感的にわかりやすいように見えますが、実際には、ブラウン運動により、LPS分子が橋に沿って前後に踊るはずです。検査、LPS輸送が外膜の方向にのみ進行することを保証するメカニズムが必要です。
興味深いことに、Owensら、 E. cloacae構造のLptFβ-jellyrollドメインは、橋の入り口にLPSの開いたゲートがあるが、V。cholerae構造のゲートは閉じていることが観察されました。タンパク質構造を変更することにより、著者らはゲートを閉状態に固定し、ATP加水分解に影響を与えることなくLPS輸送を効果的にブロックすることができました。著者は、LPSがスライドして通過できるようにゲートが開くが、ラチェットの爪メカニズムのように、分子の後ろで自然に閉じて逆流を遮断すると推測しています。
1972年の先駆的な研究[7]は、LPS輸送が不可逆的であることを示した最初の研究でした。 47年後、これらの発見は分子用語でようやく理解できるようになりました。抗生物質の開発のためにLPS輸送を標的とする取り組みは有望である[8-11]。 2つの新しい研究はこれらの努力を助けるかもしれない洞察を提供します。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.471
Ratcheting up lipopolysaccharide transport
まず1つ目の論文です。
日本語版本誌では、「構造生物学：LptB_2FGC複合体によるリポ多糖抽出の構造基盤」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
LptB_2FGC複合体によるリポ多糖抽出の構造基盤
となり、Abstractを直訳しますと・・・
グラム陰性菌では、リポ多糖は外膜形成と抗生物質耐性に不可欠です。 7つのリポ多糖輸送（Lpt）タンパク質A–Gは、リポ多糖を内膜から外膜に移動させます。 LptCと密接に関連するATP結合カセットトランスポーターLptB_2FGは、内膜からリポ多糖を抽出します。 LptB_2FG–LptC複合体（LptB_2FGC）のメカニズムとリポ多糖輸送におけるLptCの役割はよくわかっていません。ここでは、LptB_2FGとLptB_2FGCの構造を、単一粒子の低温電子顕微鏡を使用して、ヌクレオチドフリーおよびバナジン酸塩捕捉状態で特徴付けます。これらの構造は、結合したリポ多糖を解決し、トランスポーターとリポ多糖の側鎖の詳細との相互作用を明らかにし、リポ多糖の捕捉と押し出しがLptB_2FGCの立体配座再構成とどのように結びついているかを明らかにします。 LptCは、LptB_2FGの2つの膜貫通ドメインの間にその膜貫通ヘリックスを挿入します。これは、ATP結合カセットトランスポーターのこれまで知られていなかった調節メカニズムを表しています。私たちの結果は、内膜におけるLptB_2FGの作用とペリプラズムにおけるLptタンパク質相互作用を調整することにより、効率的なリポ多糖輸送を達成するためのLptCの役割を示唆しています。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：ARTICLE p.486
Structural basis of lipopolysaccharide extraction by the LptB_2FGC complex
Data availabilityによりますと・・・
ナノディスク内の大腸菌LptB2FGおよびLptB2FGCの7つの3DクライオEM密度マップが、電子顕微鏡データバンクにアクセッション番号EMD-9118（ヌクレオチドフリーLptB2FG）、EMD-9125（ヌクレオチドフリーLptB2FGC、最終マップ）で登録されています、EMD-9128（ヌクレオチドフリーLptB2FGC、明確なLPS密度のマップ）、EMD-9129（ヌクレオチドフリーLptB2FGC、βJRlongマップ）、EMD-9130（ヌクレオチドフリーLptB2FGC、βJRshortマップ）、EMD-9124（バナデートトラップLptB2FG）およびEMD-9126（バナジウムでトラップされたLptB2FGC）。原子モデルの4つの原子座標が、アクセッション番号6MHU（ヌクレオチドフリーLptB2FGC）、6MI7（ヌクレオチドフリーLptB2FGC）、6MHZ（バナデートトラップLptB2FG）および6MI8（バナデートトラップLptB2FGC）でPDBに登録されています。他の関連データは、妥当な要求があれば、対応する作成者から入手できます。
2つ目の論文に入ります。
日本語版本誌では、「構造生物学：リポ多糖の細胞表面への一方向輸送の構造基盤」と題されてます。
フルテキストを直訳しますと・・・
細胞表面へのリポ多糖の一方向輸出の構造基盤
となり、Abstractを直訳しますと・・・
グラム陰性菌は細胞質内膜と外膜に囲まれており、多くの抗生物質の侵入を制限する保護バリアとして機能します。外膜の特徴的な特性は、リポ多糖の存在によるものです[1]。多数の糖を含むこの大きな糖脂質は細胞質で作られます。タンパク質の複合体は、内膜から細胞表面へのリポ多糖の輸送を仲介する膜間ブリッジを形成します[1]。タンパク質ブリッジの内膜コンポーネントは、トランスポートを駆動するATP結合カセットトランスポーターを構成しますが、このトランスポーターがブリッジを越えて外膜への一方向のリポ多糖の動きをどのように保証するかは不明です[2]。ここでは、膜からリポ多糖を抽出し、タンパク質ブリッジに渡すために必要なすべてのタンパク質を含む5成分内膜複合体の2つの結晶構造について説明します。これらの構造の分析は、生化学的および遺伝的実験と組み合わせて、トランスポーターの空洞へのリポ多糖の進入経路から橋までを特定します。また、空洞からブリッジへの基質の移動を可能にするために開く必要があるタンパク質ゲートを特定します。空洞へのリポ多糖の侵入はATPに依存しませんが、ATPはリポ多糖がゲートを通過して橋の上に移動するために必要です。私たちの調査結果は、内膜輸送複合体がその濃度勾配に対するリポ多糖の効率的な一方向輸送をどのように制御するかを説明しています。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.550
Structural basis of unidirectional export of lipopolysaccharide to the cell surface
Data availabilityによりますと・・・
座標および構造因子は、E.cloacae LptB_2FGCのアクセッション番号6MITおよびV. cholerae LptB_2FGC構造の6MJPとしてProtein Data Bankに登録されています。
究極に溜まりに溜まっているネイチャー。次回は、「量子物理学：量子プロセッサーの誤り軽減」を取り上げます。
※本日通院かと思って通院したら、主人がテレワークしていた先週だったとのことで、毎度の医療がお安くなる更新手続きをして、一人10万円支給の郵送に出してきました。里では市が「第2波の真っただ中だと認識しております」報道の中、母の歯茎が炎症している、保健所がなくなった、○○が壊れた、等の雑用で追われ・・・。私自身も玄関のかぎが壊れたのでその対応もあり、巡回等ブログ活度が大変に遅れております。政宗の管理もございますのでより対応が遅れると思いますが、本当に申し訳ございません。
