総説 マンガンと鉄のホメオスタシスに関与するトランスポーターの構造と配位化学
植物の鉄トランスポーターの構造化学と配位化学については、世界で現在進行形で、例が少ない。TOM1,OsIRT1,OsYSL,MOT1など日本のグループが見つけたトランスポーターについて、ぜひ頑張ってほしい。
総説
マンガンと鉄のホメオスタシスに関与するトランスポーターの構造と配位化学
Shamayeeta Ray, Rachelle Gaudet 米国マサチューセッツ州ケンブリッジ、ハーバード大学分子細胞生物学部
Biochemical Society Transactions (2023) https://doi.org/10.1042/BST20210699
概要
トランスポーターのレパートリーは、生物学的に必須な遷移金属、マンガン、鉄のホメオスタシスを維持し、細胞の生存能力を確保する上で重要な役割を果たしている。これらのトランスポーターの構造と機能を解明することにより、これらのタンパク質がどのようにしてこれらの金属の細胞内濃度を最適に維持するのに役立っているのかについて、大きな理解が得られてきた。特に、異なる金属と結合したいくつかのトランスポーターの最近の高分解能構造により、金属イオン-タンパク質複合体の配位化学が、金属の選択性と特異性を理解する上でどのように役立つかが検討できるようになった。本総説ではまず、細菌、植物、菌類、動物において、マンガン（Mn2+）と鉄（Fe2+とFe3+）の細胞内恒常性に寄与する特異的トランスポーターと広範なトランスポーターの両方を網羅的にリストアップする。さらに、利用可能な高分解能金属結合トランスポーター構造（Nramps、ABCトランスポーター、P型ATPアーゼ）の金属結合部位を探索し、その配位圏（リガンド、結合長、結合角、全体形状および配位数）の詳細な解析を提供する。この情報を、異なる金属に対するトランスポーターの結合親和性の測定値と組み合わせることで、基質選択性と輸送の分子基盤に光が当てられる。さらに、トランスポーターと、高親和性で金属と結合するいくつかの金属消去タンパク質や金属貯蔵タンパク質との比較から、配位幾何学と親和性の傾向が、これらの必須遷移金属のホメオスタシスに関与する個々のタンパク質の生物学的役割をどのように反映しているかが明らかになった。
結論
利用可能なMn2+トランスポーターの構造から、多様な配位幾何学とリガンドタイプがMn2+の結合と輸送を可能にすることが明らかになった。さらに、結合部位の構造が異なれば、選択性のメカニズムも異なる。興味深いことに、さまざまなMn2+トランスポーターにおいて、理想的な結合形状からのずれや配位リガンドの数によって、Mn2+の放出とコンフォメーション変化の両方が可能になり、輸送が速度論的に利用可能になるために必要なようである。同様に、鉄結合体、キレーター、トランスポーターの分析から、イオン結合特性と親和性の両方が、それぞれのタイプの鉄相互作用の生物学的役割とどのように相関しているかがわかる。結合体（キレーターやトランスフェリン）は、BbFPNのようなトランスポーターと比較して、鉄に対してほぼ理想的な配位とはるかに高い親和性を持ち、トランスポーターの結合ドメイン（SBPやVIT1 MBD）は、結合体と標準的なトランスポーターの中間に位置する。もう一つの一般的な観察は、同じタンパク質への異なる金属の結合を比較した場合、親和性はしばしば配位幾何学がいかに理想的であるかとの相関が低いということである。このことは、金属を受容するためのタンパク質のコンフォメーション変化など、他のエネルギー的寄与が作用していることを示唆している。金属イオンの結合は、タンパク質のコンフォメーション変化を引き起こし、それがエネルギー的なペナルティーとなり、金属に対するタンパク質の全体的な親和性に影響を与えるかもしれない。さらに、この構造変化は、タンパク質の生理学的機能から見て、オンパスウェイかオフパスウェイかもしれない。例えば、DraNrampでは、タンパク質はCd2+よりもMn2+に近い理想的な形状で結合するが、Mn2+に対する親和性はCd2+に対する親和性よりも低いため、エネルギー的なコストがかかるようだ。PsaAの場合、Zn2+の結合は高親和性であるが、Zn2+はPsaABCによって輸送されない。おそらく、結果として生じるPsaABC構造が、輸送サイクルの次のコンフォメーション段階を助長しないからであろう。全体として、この総説は、さまざまな遷移金属の配位化学に関する原子レベルの知識が、Mn2+と鉄の恒常性におけるタンパク質の機能と、恒常性維持異常時にタンパク質の輸送挙動がどのように変化するかを理解するのに役立つことを強調している。
展望
遷移金属である鉄とマンガンは生命にとって必須であるが、大量に存在すると毒性を示す。金属イオンのホメオスタシスは、受容体、貯蔵タンパク質、調節タンパク質、輸送タンパク質の配列全体に依存している。膜トランスポーターは一時的に金属イオンと相互作用し、細胞内外や細胞区画間で金属イオンをシャトル移動させることで、生物と細胞の両方の金属ホメオスタシスを可能にしている。金属結合の親和性と選択性は、配位幾何学とリガンドがどれだけ理想的なパラメータに近づけることができるか、そして、その配位幾何学を作り出すためにタンパク質にどれだけコンフォメーションのひずみが誘発されるかの組み合わせに依存している。- 金属トランスポーターと金属との複合体の高分解能構造の例はまだ少ない。マンガンや鉄の恒常性維持機構を完全に理解し制御するためには、金属結合熱力学やタンパク質の構造エネルギーランドスケープの研究と同様に、さらなる構造解析が必要である。
図1。本論文が取り上げている植物の鉄関連トランポーターの図