ヘムの建築

Nature Communications volume 14、記事番号: 5190 (2023) この記事を引用

670 アクセス

5 オルトメトリック

メトリクスの詳細

モノヘムおよびマルチヘムのシトクロム c は、ヘムの共有結合によって翻訳後に成熟します。 このために、大腸菌は最も複雑なタイプの成熟機構である Ccm システム (シトクロム C 成熟用) を採用しています。 これは 2 つの膜タンパク質複合体で構成されており、そのうちの 1 つはヘムを膜を越えて移動シャペロンまで往復させ、次に補因子を 2 番目の複合体であるアポタンパク質:ヘムリアーゼに送達して共有結合させます。 今回我々は、大腸菌由来のヘム転座複合体CcmABCD単独およびヘムシャペロンCcmEに結合したものの極低温電子顕微鏡構造を報告する。 CcmABCDは、それ自体ではヘムを輸送しないABCトランスポーターCcmABを中心とするヘテロ八量体複合体を形成します。 我々のデータは、この複合体が CcmA での ATP 加水分解によって駆動され、CcmBC 界面でヘム基を内側から外側のリーフレットに移動させることを示唆しています。 CcmCのペリプラズム側にある保存されたヘムハンドリングモチーフ（WxWD）は、ヘムを90°回転させてヘムシャペロンCcmEに共有結合させ、CcmBサブユニットとのみ相互作用していることが判明した。

シトクロム c は、あらゆる生命界に存在する、多様かつ用途の広い金属タンパク質ファミリーです 1。 それらは、テトラピロール補助因子であるFe-プロトポルフィリンIX、またはヘムの1つまたは複数のコピーを含み、その決定的な特徴は、この金属有機部分がC-Xn-CH配列の特徴的な結合モチーフに共有結合していることです（最も一般的にはn = 2;補足）図1a)2. この翻訳後修飾の目的は少なくとも 2 つあります。 第一に、シトクロム c は常に細胞質外環境に展開されるため、共有結合により補因子の損失が防止されます。 第二に、ヘム基をペプチド鎖に固定することで、かさばる結合ポケットを形成する必要性が軽減され、非常に高い補因子：タンパク質比が可能になり、それによって単一タンパク質内に密に詰まったヘム基の鎖が形成されます3。 したがって、シトクロム c の典型的な役割は、電子伝達または多電子酸化還元反応の触媒です。 このタンパク質ファミリーの最も著名なメンバーはおそらくミトコンドリア呼吸鎖のモノヘム シトクロム c で、シトクロム bc1 複合体からシトクロム c オキシダーゼ 5 に電子をやり取りします。 しかし、原核生物は、単一のペプチド鎖上に数個から最大数十個のヘム基をもつ、はるかに複雑なシステムを進化させてきました6。 Geobacter sulphurreducens などの特定の生物は、ゲノム内に 100 を超えるマルチヘム シトクロム c をコードしています7。 シトクロム c の成熟は複雑です。 アポシトクロムには、Sec トランスロコンを介して細胞質から搬出されるシグナル配列が含まれており、その後、発生期のペプチド鎖は細胞質外コンパートメントでヘム結合モチーフを認識し、補因子の共有結合を媒介するヘムリアーゼ複合体によって処理されます。ビニル側鎖に2つのシステインチオール基を追加します。 最も注目すべき点は、このプロセスがタンパク質の全体的な配列から独立しており、サイズが大きく異なるアポシトクロムに対して機能することです。 ペプチド鎖は、ヘム結合モチーフを特異的に認識するリアーゼによってスキャンされます。 すべての既知のヘムリアーゼでは、「ヘム処理」ファミリーのタンパク質が重要な役割を果たしており、その特徴はトリプトファンが豊富なモチーフであり、略称「WxWD モチーフ」と呼ばれ、これにより補因子が保持され、タンパク質と相互作用する位置に配置されます8。 。 シトクロム c は進化的に古いタンパク質ファミリーであるため、マチュラーゼは時間の経過とともに多様化し、現在の分類ではヘムリアーゼの 5 つの異なるシステムがリストされています 9,10。 これらの中で最も複雑なものは、α-およびβ-プロテオバクテリア、植物ミトコンドリア、デイノコックス、古細菌、および一部のγ-およびδ-プロテオバクテリアに見られるCcmシステム(シトクロムc成熟用)であるシステムIです。 ほとんどの場合、それはccmABCDEFGHIという組成の単一オペロンにコードされており（補足図1b）、そのタンパク質産物は異なる機能を持つ2つの膜内在性タンパク質複合体を形成します11。 ここで、CcmFHI複合体は、アポペプチドをスキャンし、チオレドキシンモジュールを介して酸化環境で形成された可能性のあるジスルフィドを還元し、コアリアーゼサブユニットCcmF12、13にヘム補因子を結合するヘムリアーゼモジュールとして機能します。 CcmG は、リアーゼ複合体に還元同等物を提供する DsbA 様チオレドキシンです。 2 番目のモジュールは CcmABCD で、ABC トランスポーター CcmAB を中心とする別の内在性膜タンパク質複合体です。 これは、補因子を膜を越えて移動させてペリプラズム内のヘムシャペロン CcmE に結合させるヘム輸送体として説明されています 14。 CcmE は、コンパクトな β バレル ドメインに折りたたまれ、柔軟な C 末端テールに位置するヒスチジン残基とヘムへの共有結合を形成する単トピック膜タンパク質です 15,16。 CcmEは、ヘム転座複合体CcmABCDとヘムリアーゼ複合体CcmFHI17を接続する要素であり、CcmFには常にb型ヘムグループが含まれていますが、アポシトクロム鎖にリンクされているのはCcmEを介して送達される補因子のみです（補足図。 1c)。