헴의 건축

Nature Communications 14권, 기사 번호: 5190(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

단일 및 다중 헴 시토크롬 c는 헴의 공유 부착에 의해 번역 후 성숙됩니다. 이를 위해 대장균은 가장 복잡한 유형의 성숙 기계인 Ccm 시스템(시토크롬 C 성숙용)을 사용합니다. 이는 두 개의 막 단백질 복합체로 구성되며, 그 중 하나는 막을 가로질러 이동성 샤페론으로 헴을 운반한 다음 공유 결합을 위해 보조인자를 두 번째 복합체인 아포단백질:헴 리아제에 전달합니다. 여기에서 우리는 E. coli의 heme 전위 복합체 CcmABCD의 저온 전자 현미경 구조를 단독으로 보고하고 heme chaperone CcmE에 결합합니다. CcmABCD는 자체적으로 헴을 운반하지 않는 ABC 운반체 CcmAB를 중심으로 헤테로옥타머 복합체를 형성합니다. 우리의 데이터는 복합체가 CcmA에서 ATP 가수분해에 의해 구동되는 CcmBC 인터페이스에서 내부에서 외부 전단지로 헴 그룹을 플롭한다는 것을 시사합니다. CcmC의 주변세포질 측에 있는 보존된 헴 처리 모티프(WxWD)는 CcmB 하위 단위와만 상호 작용하는 헴 샤페론 CcmE에 대한 공유 부착을 위해 헴을 90° 회전시킵니다.

시토크롬 c는 모든 생명체에 존재하는 다양하고 다재다능한 금속 단백질 계열입니다1. 그들은 테트라피롤 보조 인자 Fe-프로토포르피린 IX 또는 헴의 하나 또는 여러 개의 복사본을 포함하고 있으며, 그들의 정의적인 특징은 이 금속 유기 부분이 C-Xn-CH 서열의 특징적인 결합 모티프에 공유 결합된다는 것입니다(가장 일반적으로 n = 2; 보충) 그림 1a)2. 이 번역 후 수정의 목적은 적어도 두 가지입니다. 첫째, 시토크롬 c는 항상 세포질 외 환경에 배치되어 공유 결합이 보조인자 손실을 방지하는 역할을 합니다. 둘째, 헴 그룹을 펩타이드 사슬에 고정하면 부피가 큰 결합 포켓을 형성할 필요성이 완화되어 매우 높은 보조인자:단백질 비율이 가능하고 단일 단백질 내에 촘촘하게 채워진 헴 그룹 사슬이 형성됩니다3. 결과적으로 시토크롬 c의 일반적인 역할은 전자 전달 또는 다중 전자 산화환원 반응을 촉매하는 것입니다4. 이 단백질 계열의 가장 두드러진 구성원은 틀림없이 미토콘드리아 호흡 사슬의 단일헴 시토크롬 c이며, 여기서 시토크롬 bc1 복합체에서 시토크롬 C 산화효소5로 전자를 운반합니다. 그러나 원핵생물은 단일 펩타이드 사슬에 여러 개에서 최대 수십 개의 헴 그룹을 포함하여 훨씬 더 복잡한 시스템을 진화시켰습니다6. Geobacter sugarreducens와 같은 선택된 유기체는 게놈에 100개 이상의 다중헴 시토크롬 c를 암호화합니다7. 시토크롬 c의 성숙은 정교합니다. 아포시토크롬은 Sec 트랜스로콘을 통해 세포질에서 내보내기 위한 신호 서열을 포함하고 초기 펩타이드 사슬은 헴 결합 모티프를 인식하고 보조인자의 공유 부착을 매개하는 헴 리아제 복합체에 의해 세포질 외 구획에서 처리됩니다. 두 개의 시스테인 티올 그룹을 비닐 측쇄에 추가합니다. 가장 놀랍게도 이 과정은 단백질의 전체 서열과 무관하며 매우 다른 크기의 아포시토크롬에 작용합니다. 펩타이드 사슬은 헴 결합 모티프를 특이적으로 인식하는 리아제에 의해 스캔됩니다. 알려진 모든 헴 분해효소에서 '헴 처리' 계열의 단백질은 중요한 역할을 하며, 이들의 특징은 'WxWD 모티프'로 약칭되는 트립토판이 풍부한 모티프입니다. 이 모티프에 의해 보조 인자가 단백질과의 상호작용을 위해 유지되고 배치됩니다8 . 시토크롬 c는 진화적으로 오래된 단백질 계열이기 때문에 성숙화효소는 시간이 지남에 따라 다양해졌으며 현재 분류에는 헴 분해효소의 5가지 다른 시스템이 나열되어 있습니다9,10. 이들 중 가장 복잡한 것은 α- 및 β-프로테오박테리아, 식물 미토콘드리아, 데이노코커스, 고세균 및 일부 γ- 및 δ-프로테오박테리아에서 발견되는 Ccm 시스템(시토크롬 C 성숙을 위한)인 시스템 I입니다. 대부분의 경우 ccmABCDEFGHI(보충 그림 1b) 구성의 단일 오페론으로 인코딩되며, 이 오페론의 단백질 생성물은 서로 다른 기능을 가진 두 개의 막 통합 단백질 복합체를 형성합니다. 여기서 CcmFHI 복합체는 아포펩티드를 스캔하고, 티오레독신 모듈을 통해 산화 환경에서 형성될 수 있는 이황화물을 감소시키고, 핵심 용해효소 서브유닛 CcmF12,13에 헴 보조인자를 부착하는 헴 분해효소 모듈 역할을 합니다. CcmG는 리아제 복합체에 환원당량을 제공하는 DsbA 유사 티오레독신입니다. 두 번째 모듈은 ABC 수송체 CcmAB를 중심으로 하는 또 다른 통합 막 단백질 복합체인 CcmABCD입니다. 이는 보조인자를 막을 가로질러 전위시켜 주변세포질의 헴 샤페론 CcmE에 부착시키는 헴 수출자로 설명되었습니다. CcmE는 컴팩트한 β-배럴 도메인으로 접혀 유연한 C 말단 꼬리에 있는 히스티딘 잔기와 함께 헴에 대한 공유 결합을 형성하는 단일 주제 막 단백질입니다. CcmE는 헴 전좌 복합체 CcmABCD와 헴 분해효소 복합체 CcmFHI17을 연결하는 요소이며, CcmF는 항상 b형 헴 그룹을 포함하지만 아포시토크롬 사슬에 연결된 것은 CcmE를 통해 전달되는 보조 인자뿐입니다(보충 그림 2). 1c).