胞子発芽受容体 - 新しいパラダイム
マイクロバイオロジーの動向
2023年6月1日オンライン公開
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胞子発芽受容体 - 新しいパラダイム
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0966842X23001658
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引用元
https://doi.org/10.1016/j.tim.2023.05.012Get 権利と内容
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概要
David Rudnerとそのチーム（Gao et al.）は、枯草菌のアラニン応答性発芽受容体GerAの5量体構造を予測し、栄養ゲートイオンチャネルとして働くことを実証した。この新しい受容体ファミリーの機能をついに確立し、発芽における初期のイオン移動に関する研究に焦点を当てる。
キーワード
発芽
イオンチャネル
背景
細菌内胞子は休眠状態で、乾燥、熱、有機溶媒、酵素攻撃などの環境刺激に対して抵抗性がある。その特殊な構造には、多層の胞衣、専門的なペプチドグリカンの皮質、および含水率が低く、タンパク質が比較的不動である細胞核が含まれている（図1）。しかし、これらの胞子は、マイクロモル濃度の特定の環境栄養素を検出できるセンシング機構を備えています。
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図1. 胞子発芽における最も初期のイベント。
発芽体と受容体の相互作用部位を強調している。枯草菌のGerAA、GerAB、GerACアラニン受容体の予測構造を示すパネルは、AAASの許可を得て[4]から転載した。基本3量体のリボン図（左上）において、GerAAは赤、GerABはシアン、GerACは紫で表示されています。三量体の五量体の空間充填モデルは、同じ向きで、構造体の上部が膜の外側に向いた面になっている。右の構造は、GerAA五量体を外側から、膜を通る断面で示したもので、孔を青で示す。図はBioRender（BioRender.com）を用いて作成。
発芽のイベント
胞子の発芽に伴う全体的な変化については、最近の総説 [1., 2., 3.] で詳しく述べられている。簡単に説明すると、ほとんどの種において、発芽には栄養剤と一価の陽イオン（一般にK+）の存在が必要である。発芽剤は、被膜と皮質を通って、半結晶質で比較的不透過性の内膜に侵入し、この膜に存在する特定の受容体に結合する必要がある。このような結合の直接的な結果は謎のままでしたが、現在では有力な手がかりが得られています[4]。発芽のごく初期に、一価の陽イオン（H+、K+、Na+）が胞子から放出される。胞子核の内部pHは6.5から7.5に上昇し、胞子のK+とNa+の80%が放出される[5]。その後すぐにSpoVAチャネル[6]が開き、ジピコリン酸（DPA）と2価の陽イオン、特にCa2+が放出され、コアの限られた水分補給が可能になる。皮質の溶解酵素であるSleBとCwlJが活性化され、皮質に拘束されなくなったコアは完全に水分を補給することができ、代謝を再開することができる。
ゲルミナントレセプター
枯草菌のアラニン応答性レセプターは、内膜に存在する3つのタンパク質-GerAA、AB、AC-から構成されるもので、最初に特徴づけられたゲルマニウム受容体である。GerAAは膜と可溶性ドメインを持ち、積分膜タンパク質GerABはアミノ酸/ポリアミン/オルゴナイトファミリーの膜トランスポーターと遠い相同性を持ち、胚珠の認識に関与していると思われ、リポタンパク質GerACは内膜の外表面に繋がれているであろう [2]。ほぼ全ての桿菌とクロストリジウムに複数のホモログが存在し、様々な生殖細胞刺激に応答する。バチルス属の胞子では、受容体はゲルミノソームに集積しており、局所的な効果を増幅する役割を担っていると考えられる[1]。
構造予測
Amonらは、タンパク質複合体の構造予測のための強力なAlphafoldアルゴリズム、複合体中の残基の共進化の研究、および関連する残基の変異誘発を組み合わせて、GerAA、AB、ACサブユニット各1個の複合体の可能性の高い構造を提示し[7]、AおよびBサブユニット間のシグナルの証拠となったが [7,8] この予測構造からは機能の手がかりが得られなかった。
5量体チャネル構造
Gao、Amon、Artziら[4]は、Alphafold-multimerによって予測された3量体の美しい5量体複合体（図1）を記述した。GerAAタンパク質は、膜を横断し胞子核の内部に伸びるイオンチャネルを形成していると考えられる。GerAAタンパク質はイオンチャネルを形成し、膜を貫通し、胞子内部まで伸びている。このイオンチャネルは、膜のGerABタンパク質に挟まれ、両者は外表面のGerACサブユニットと接触している。GerABサブユニットの胚珠結合部位は、胞子の外層からアクセスするために必要なように、膜の外表面に露出していると考えられる。各AAサブユニットの膜貫通ヘリックス3は推定チャネルを囲んでおり、その周辺にある酸性残基は、チャネルが陽イオン選択的であることを示唆している。
仮説の検証
GerA受容体は、見た目だけでなく、イオンチャネルとして機能するのだろうか？提案されているチャネルをブロックしたり広げたりすると予想されるアミノ酸置換[4]は、胞子ではそれぞれ胞子の発芽を妨げたり、発芽を早めるなど、期待通りの効果を示した。より直接的には、GerABおよびGerACサブユニットが枯草菌の植物細胞で発現し、誘導性のGerAAサブユニットと組み合わされていた。これは、GerA指向性の電気化学的活性の証拠を提供した [4] 。GerAAのワイドチャネル型高活性版を誘導すると、細胞は膜電位の低下を示唆する電位差色素の蛍光の減少を示し始め、後に損傷した膜はヨウ化プロピジウム染色が可能になった。一方、正常なGerAAタンパク質が複合体に存在する場合、l-アラニンを添加するまで膜電位の低下は見られず、胚芽特異的なチャネルのゲーティングが示された。競合阻害剤であるd-アラニンを添加したり、l-アラニンに反応しないGerAB変異体タンパク質を代用することで特異性を確認したが、いずれもゲルミナンによる反応を阻害した。
その結果、ゲルミナがGerABに結合することで構造変化が起こり、GerAAイオンチャネルが開かれて、胞子内膜をカチオンが移動する、というモデルが得られた。これは、低濃度のゲルミナントが一過性にK+を放出するという最近のデータ[9]と同様、胞子発芽の初期段階において、イオン移動が絶対的に重要であることを意味する。次に知られている、SpoVAチャネルのプラグを抜いてDPAを放出する段階[6]は、受容体と直接接触する必要がないため[4]、1価のイオン放出の直接的または間接的な結果である可能性があります。
今後の方向性
受容体チャネルのイオン特異性、GerABサブユニットによるゲーティングの正確なメカニズム、必須サブユニットであるGerACの役割など、現在解決すべき多くの疑問があります。このチャネルを通るイオンの流れは限られているのか、それとも大量にあるのか？セレウス菌のイノシン発芽におけるGerN[2]のように、さらに陽イオンや陰イオンのトランスポーターやチャネルが必要なのだろうか。胞子の半結晶性内膜における局所的なイオンフラックスは、胚芽の環境にどのような影響を与えるのだろうか？これらの事象を自然の文脈の中で分子的・生物物理的に理解することは、依然として困難な課題であるが、現在ではその課題に対処することができる。60年前に提唱されたように、「適切なデータが蓄積されるまでは、有機分子が生殖イオンの作用部位へのアクセスを促進することを提案します」[10]。
利害関係の宣言
著者は、申告する利害関係を有していない。
推薦論文
参考文献
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G. Christie、P. Setlow
バチルス菌の胞子発芽：既知、未知、そして我々が学ぶべきこと
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L.J. Rode、J.W. Foster
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