구리의 이온 흡수의 구조적 기초

Mar 01, 2024

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5121(2022) 이 기사 인용

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구리는 살아있는 세포에 필수적이지만 농도가 높아지면 독성이 있습니다. 클래스 1B P형(P1B-) ATPase는 모든 생명체에 존재하며, 구리를 포함한 전이 금속의 세포 수출을 촉진합니다. P형 ATPase는 안쪽을 향한 E1과 바깥쪽을 향한 E2 형태의 교대 액세스 메커니즘을 따릅니다. 그럼에도 불구하고 P1B-ATPase에는 E1 상태에 대한 구조적 정보가 없으므로 기계적 이해가 방해됩니다. 여기에서는 데이터와 분석을 보완하여 E1 구조에서 구리 특정 P1B-ATPase의 2.7Å 분해능에 도달하는 구조를 제시합니다. 우리의 노력은 이온 기증 샤페론과의 상호 작용을 위한 공간을 생성하는 도메인 배열을 밝히고 막횡단 코어로의 직접적인 Cu+ 전달을 제안합니다. 메티오닌은 샤페론 결합 이온의 방출을 돕고 CPC 시그니처 모티프의 시스테인과 함께 화물 진입 부위를 형성함으로써 중요한 역할을 합니다. 종합적으로, 이번 연구 결과는 인간 P1B 구성원에게도 적용될 수 있는 P1B 매개 수송에 대한 통찰력을 제공합니다.

구리는 세포 내에서 중요한 기능을 수행하는 전이 금속이므로 모든 생명체의 유기체에 필수적인 미량 영양소입니다. 환원된(Cu+) 상태와 산화된(Cu2+) 상태 사이의 산화환원 순환 능력은 세포 호흡과 같은 기본적인 대사 과정에 중요한 시토크롬 C 산화효소 또는 NADH 탈수소효소와 같은 주요 효소 팔레트에서 활용됩니다1. 그럼에도 불구하고 유리된 세포내 구리는 독성 수산기 라디칼의 형성을 유발하고 단백질에서 다른 금속을 대체할 수 있습니다2. 결과적으로, 세포내 구리 수준은 수많은 전용 샤페론, 조절인자 및 수출 단백질, 특히 구리 수송 P형 ATPase에 의해 매개되어 엄격하게 조절됩니다.

P형 ATPase는 ATP 가수분해 에너지를 생물학적 막을 통과하는 화물 수송과 결합하는 대규모 슈퍼패밀리로 구성됩니다. 이들은 금속 양이온에서 인지질4, 폴리아민5 및 막횡단 나선6에 이르는 서열 동일성과 수송 특이성을 기반으로 최대 4개의 하위 클래스인 AD가 있는 5개의 하위 패밀리(P1-5)로 세분됩니다. 전이 금속 특정 하위 클래스 1B(P1B-ATPases)는 셀 내부에서 Zn2+, Co2+, Fe2+ 등의 유출을 촉매하며 역사적으로 P1B-1-(CopA) 및 P1B-3-로 세분화된 구리 특정 구성원을 포함합니다. ATPase(CopB)7,8. P1B-ATPase는 원핵생물에 풍부하여 중금속 스트레스로부터 유기체를 보호합니다. 인간에게는 ATP7A와 ATP7B라는 두 가지 CopA 단백질이 존재합니다. 이들 구성원의 기능 장애는 각각 심각한 신경 장애 멘케스병과 윌슨병을 유발합니다9,10.

P형 ATPase는 3개의 세포질(액추에이터(A-), 인산화(P-) 및 뉴클레오티드 결합(N-)) 도메인과 6개의 편재성으로 구성된 막에 걸친(M-) 도메인으로 구성된 공통 전체 구조를 공유합니다. 막 횡단 나선, M1-M6 (보조 그림 1). 또한, P1B-ATPase는 2개의 N 말단 막횡단 나선 MA 및 MB와 일반적으로 1~6개의 N 말단 중금속 결합 도메인(HMBD)을 보유하며, 후자는 이온 흡수 및/또는 연결된 기능에 대해 수수께끼의 역할을 합니다. 규정11,12,13. 수퍼패밀리는 세포질(내부)에서 세포외/내강으로 운반되는 화물에 대해 각각 높은 친화력과 낮은 친화성을 갖는 안쪽을 향한 E1 및 바깥쪽을 향한 E2 구조에 의해 정의된 교대 접근 메커니즘인 소위 Post Albers 반응 주기를 따릅니다. (바깥쪽) 측면(그림 1)14,15. 세포질로부터의 화물 흡수 및 폐색은 E1 구조에서 이루어지며 P 도메인의 불변 촉매 아스파르트산염의 ATP 의존적 인산화와 함께 E1P 형태를 생성하여 바깥쪽을 향한 E2P 상태로 전환됩니다. 그런 다음 화물은 세포외 공간으로 방출되고 탈인산화(E2) 시 펌프는 안쪽을 향한 E1 형태로 돌아갑니다.