Механочувствительный канал с большой проводимостью - Large-conductance mechanosensitive channel

MscL
PDB 2oar EBI.jpg
механочувствительный канал большой проводимости (МСКЛ)
Идентификаторы
СимволMscL
PfamPF01741
ИнтерПроIPR001185
PROSITEPDOC01030
SCOP21 мл / Объем / СУПФАМ
TCDB1.A.22
OPM суперсемейство12
Белок OPM2oar

В Семейство механочувствительных ионных каналов (MscL) с большой проводимостью (TC № 1.A.22 ) состоит из порообразующих мембранные белки которые отвечают за преобразование физических сил, приложенных к клеточным мембранам, в электрофизиологический виды деятельности. MscL имеет относительно большую проводимость, 3 нс, что делает его проницаемым для ионов, воды и мелких белков при открытии.[1] MscL действует как активируемый растяжением клапан осмотического выпуска в ответ на осмотический шок.[2]

История

MscL был впервые обнаружен на поверхности гигантского кишечная палочка сферопласты с помощью патч-зажим техника.[3] Впоследствии кишечная палочка Ген MscL (Ec-MscL) был клонирован в 1994 году.[4] После клонирования MscL кристаллическая структура Микобактерии туберкулеза MscL (Tb-MscL) был получен в его закрытой конформации.[5] Кроме того, кристаллическая структура Золотистый стафилококк MscL (Sa-MscL) и Ec-MscL были определены с использованием Рентгеновская кристаллография и молекулярная модель соответственно.[6][7] Однако некоторые данные свидетельствуют о том, что структура Sa-MscL не является физиологической, а связана с детергентом, используемым при кристаллизации.[8][9]

Структура

Подобно другим ионные каналы, MscL организованы как симметричные олигомеры с путем проникновения, образованным упаковкой субъединиц вокруг оси вращательной симметрии. В отличие от MscS, который является гептамером, MscL, вероятно, пентамерен; хотя Sa-MscL, по-видимому, представляет собой тетрамер в кристаллической структуре,[1][10] это может быть артефакт.[8][9] MscL содержит два трансмембранные спирали которые упакованы в топологию «вверх-вниз / ближайший сосед». Путь проникновения MscL имеет примерно форму воронки с большим отверстием, обращенным к периплазматический поверхность мембраны и самое узкое место возле цитоплазма. В самом узком месте пора сужена боковыми цепями симметричных остатков Ec-MscL: Лея 19 и Вал 23.[1] Диаметр пор MscL в открытом состоянии оценивается в ~ 3 нм, что позволяет прохождение небольшого белка на расстояние до 9 кД.[1]

Ec-MscL состоит из пяти идентичных субъединиц, каждая из которых имеет длину 136 аминокислот. Каждая субъединица дважды пересекает мембрану через альфа-спиральный трансмембранные сегменты M1 и M2, которые связаны внеклеточной петлей.[2] Он образует гомопентамерный канал с десятью трансмембранными ключами.[11][12][13] Комбинируя как молекулярную модель Ec-MscL, так и кристаллическую структуру Tb-MscL, становится ясно, что спирали M1 в ядре трансмембранного пучка составляют главные ворота механочувствительного канала. Регулярно размещается глицин остатки на сегментах M1 позволяют плотно упаковывать пять центральных спиралей, образуя узкую (~ 4 Å) гидрофобный сужение. Гидрофобные спирали M2 на периферии ствола MscL обращены к липидному бислою.[2] Важно отметить, что спирали M1 и M2 одной субъединицы не связаны; вместо этого спираль M1 одной субъединицы плотно контактирует со спиралью M2 соседней субъединицы. С дополнительными взаимодействиями через соляной мост в Ec-MscL весь комплекс защищен вместе.[2]

N-концевые S1-домены Tb-MscL не были разделены в кристаллической структуре, только предположительно как короткие α-спирали, связанные вместе, чтобы сформировать дополнительные цитоплазматические ворота;[7] однако последующие эксперименты по перекрестному связыванию цистеина подтвердили эту предложенную конфигурацию.[14] Было показано, что сегмент S1 может сильно мутировать без сильного отрицательного воздействия на функцию канала.[15]

И Ec-MscL, и Tb-MscL были химически синтезированы и преобразованы в мембраны везикул. Одноканальные записи этих MscL показали зависимость проводимости и давления, аналогичную таковой для соответствующих MscL дикого типа.[16]

Биологическая роль

Физические воздействия или вибрации, хотя и имеют решающее значение для животных, мало влияют на такие микробы, как Кишечная палочка. Для сравнения, осмотическая сила сильно влияет на отдельные клетки или микробы в их водной среде. Когда бактерии под осмотический дауншок, что при переходе от сред высокой осмолярность к низкому, приток воды приводит к значительному увеличению тургорное давление, способный разорвать оболочку клетки. Механочувствительные каналы являются основными путями высвобождения растворенных веществ цитоплазмы для быстрого снижения тургорного давления, что позволяет избежать лизис. Эксперименты по разрушению генов подтвердили, что каналы MscL или MscS могут спасать бактерии от сильного осмотического шока, в то время как двойной нокаут обоих каналов приводит к лизису.[2]

Роль MscL как защитного механизма против осмотических шоков указывает на его эволюционное значение даже на ранней стадии биологической истории. Вместе с MscS, MscL или его гомологи были обнаружены в бактерии, археи, грибы, и высшие растения, но не животные.[17][18] Хотя механочувствительные каналы бактерий и архей различаются по проводящим и механочувствительным свойствам, они имеют сходные механизмы вентиляции, запускаемые механической силой, передаваемой через липидный бислой.[17] Хотя MscL и MscS имеют сходный трансмембранный домен и цитоплазматический домен, общее расположение полипептидных складок в этих каналах MS различно, указывая на то, что они не имеют общего эволюционного предка.[1]

Механизмы

Бактериальные механочувствительные каналы, MscL и MscS, отражают тесную связь конформации белка с механикой окружающей мембраны. Мембрана служит адаптируемым датчиком, который реагирует на вход приложенной силы и преобразует ее в выходной сигнал. Клетка может использовать эту информацию несколькими способами: обеспечивать жизнеспособность клеток в присутствии осмотического стресса и, возможно, также служить в качестве преобразователя сигнала для натяжения мембраны.[1]

Исследования показали, что поры MscL расширяются до ~ 30 Å в диаметре при закрытии с изменением на 15-16 Å при открытии, что является самым большим из известных конформационных изменений в канальных белках.[19] Это большое изменение объясняет открытие поры диаметром 30 Å, что приводит к образованию 20 нм2 экспансия белка в плоскости. Такое преобразование отвечает за унитарную проводимость MscL, равную 3 нСм, и недостаточную селективность канала, позволяя использовать любые частицы с молекулярной массой менее ~ 1000. Это свойство MscL выполняет свою роль аварийного клапана для выпуска растворенных веществ при осмотическом шоке.[18]

Были предложены две модели для объяснения механизма закрытия каналов MS: мембранно-опосредованный механизм и механизм лазейки. Механизм люка отвечает за открытие ионных каналов в волосковая клетка. Однако теперь появляется больше свидетельств, указывающих на то, что закрытие MscL специфически регулируется с помощью мембранно-опосредованного механизма, который основан на изменениях толщины или кривизны мембраны, которые могут изменять энергетический баланс встроенных белков. Это подтверждается наблюдениями, что изменения толщины фосфолипидного бислоя или добавление соединений, которые вызывают спонтанное искривление мембраны, непосредственно влияют на напряжение, необходимое для открытия MscL.[20]

Анализ профиля латерального давления в липидном бислое показал, что область интерфейса между углеводородной и полярной головными группами создает высокое напряжение. Следовательно, когда мембрана растягивается, MscL будет испытывать напряжение, в основном сосредоточенное в межфазных областях.[2] Мутации, которые влияют на белок-липидные взаимодействия вблизи границ раздела фаз, приводят к фенотипам потери функции.[15][21]

Натяжение, прикладываемое к внутреннему и внешнему краям канала липидным бислоем, наклоняет трансмембранные спирали MscL (наклон спиралей M1 изменяется на 35-34 °).о во время перехода), вызывая постепенное расширение диафрагмы и уплощение ствола MscL.[22] В результате трансмембранный размах спиралей M2 уменьшается, втягивая периплазматические петли в мембрану, чтобы выровнять внеклеточный вход в пору, устанавливая диаметр поры ~ 3 нм.[22] Наряду с этим радужно-подобным переходом пора теперь выстлана в основном полярными гранями спиралей M1 вместо гидрофобного сужения в закрытом состоянии. Как только пора гидратирована, ствол MscL оказывает большее усилие на линкеры S1-M1, разрывая пучок S1 и полностью открывая канал.[2]

Ранее считалось, что Ec-MscS проявляет сложное адаптивное поведение, а Ec-MscL - нет. Недавнее исследование показало, что как Ec-MscS, так и Ec-MscL способны к адаптивному поведению при постоянных стимулах давления на иссеченном участке мембраны; однако оба механочувствительных канала теряют адаптивную способность в записях целых клеток, указывая на то, что ранее известное адаптивное поведение Ec-MscS связано с релаксацией напряжения мембраны, а не со специфической структурой канала.[23] Этот результат дополнительно подчеркивает важность взаимодействия белок-мембрана для механочувствительных каналов.

Транспортная реакция

Обобщенные транспортные реакции:

(а) белки (вход) → белки (выход)
(б) ионы (выход) ⇌ ионы (вход)
(c) осмолиты (вход) ⇌ осмолиты (выход)

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Haswell ES, Phillips R, Rees DC (октябрь 2011 г.). «Механочувствительные каналы: что они могут делать и как они это делают?». Структура. 19 (10): 1356–69. Дои:10.1016 / j.str.2011.09.005. ЧВК  3203646. PMID  22000509.
  2. ^ а б c d е ж грамм Сухарев С., Анишкин А. (июнь 2004 г.). «Механочувствительные каналы: чему мы можем научиться у« простых »модельных систем?». Тенденции в неврологии. 27 (6): 345–51. Дои:10.1016 / j.tins.2004.04.006. PMID  15165739. S2CID  23351608.
  3. ^ Мартинац Б., Бюхнер М., Делькур А. Х., Адлер Дж., Кунг С. (апрель 1987 г.). «Чувствительный к давлению ионный канал в Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 84 (8): 2297–301. Bibcode:1987ПНАС ... 84.2297М. Дои:10.1073 / pnas.84.8.2297. ЧВК  304637. PMID  2436228.
  4. ^ Сухарев С.И., Блаунт П., Мартинац Б., Блаттнер Ф.Р., Кунг С. (март 1994 г.). «Механочувствительный канал с большой проводимостью в E. coli, кодируемый только mscL». Природа. 368 (6468): 265–8. Bibcode:1994Натура.368..265S. Дои:10.1038 / 368265a0. PMID  7511799. S2CID  4274754.
  5. ^ Чанг Джи, Спенсер Р.Х., Ли А.Т., Барклай М.Т., Рис, округ Колумбия (декабрь 1998 г.). «Структура гомолога MscL из Mycobacterium tuberculosis: закрытый механочувствительный ионный канал». Наука. 282 (5397): 2220–6. Bibcode:1998Sci ... 282.2220C. Дои:10.1126 / science.282.5397.2220. PMID  9856938.
  6. ^ Лю З., Ганди К.С., Рис, округ Колумбия (сентябрь 2009 г.). «Структура тетрамерного MscL в расширенном промежуточном состоянии». Природа. 461 (7260): 120–4. Bibcode:2009Натура.461..120л. Дои:10.1038 / природа08277. ЧВК  2737600. PMID  19701184.
  7. ^ а б Сухарев С., Дурелл С. Р., Гай Х. Р. (август 2001 г.). «Структурные модели механизма литниковой MSCL». Биофизический журнал. 81 (2): 917–36. Bibcode:2001BpJ .... 81..917S. Дои:10.1016 / S0006-3495 (01) 75751-7. ЧВК  1301563. PMID  11463635.
  8. ^ а б Искла И., Рэй Р., Блаунт П. (сентябрь 2011 г.). «Олигомерное состояние усеченного механочувствительного канала с большой проводимостью не обнаруживает изменений in vivo». Белковая наука. 20 (9): 1638–42. Дои:10.1002 / pro.686. ЧВК  3190158. PMID  21739498.
  9. ^ а б Дорварт М.Р., Рэй Р., Браутигам Калифорния, Цзян Ю., Блаунт П. (декабрь 2010 г.). «S. aureus MscL представляет собой пентамер in vivo, но с различной стехиометрией in vitro: значение для мембранных белков, растворенных в детергенте». PLOS Биология. 8 (12): e1000555. Дои:10.1371 / journal.pbio.1000555. ЧВК  2998437. PMID  21151884.
  10. ^ Левин Г., Блаунт П. (май 2004 г.). «Сканирование цистеина трансмембранных доменов MscL выявляет остатки, критические для открытия механочувствительных каналов». Биофизический журнал. 86 (5): 2862–70. Bibcode:2004BpJ .... 86.2862L. Дои:10.1016 / S0006-3495 (04) 74338-6. ЧВК  1304155. PMID  15111403.
  11. ^ Блаунт П., Шредер М.Дж., Кунг С. (декабрь 1997 г.). «Мутации в бактериальном механочувствительном канале изменяют клеточный ответ на осмотический стресс». Журнал биологической химии. 272 (51): 32150–7. Дои:10.1074 / jbc.272.51.32150. PMID  9405414.
  12. ^ Блаунт П., Сухарев С.И., Шредер М.Дж., Нэгл С.К., Кунг С. (октябрь 1996 г.). «Замены единичных остатков, которые изменяют закрывающие свойства механочувствительного канала в Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (21): 11652–7. Bibcode:1996PNAS ... 9311652B. Дои:10.1073 / pnas.93.21.11652. ЧВК  38113. PMID  8876191.
  13. ^ Сухарев С (01.01.1999). «Механочувствительные каналы в бактериях как репортеры мембранного давления». Журнал FASEB. 13 Дополнение (9001): S55–61. Дои:10.1096 / fasebj.13.9001.s55. PMID  10352145.
  14. ^ Сухарев С., Бетанзос М., Чианг К.С., Гай Х.Р. (февраль 2001 г.). «Запорный механизм большого механочувствительного канала MscL». Природа. 409 (6821): 720–4. Bibcode:2001Натура.409..720С. Дои:10.1038/35055559. PMID  11217861. S2CID  4337519.
  15. ^ а б Маурер Дж. А., Догерти Д. А. (июнь 2003 г.). «Создание и оценка большой мутационной библиотеки из механочувствительного канала большой проводимости Escherichia coli, MscL: значение для стробирования канала и эволюционного дизайна». Журнал биологической химии. 278 (23): 21076–82. Дои:10.1074 / jbc.M302892200. PMID  12670944.
  16. ^ Клейтон Д., Шаповалов Г., Маурер Дж. А., Догерти Д. А., Лестер Г. А., Кочендёрфер Г. Г. (апрель 2004 г.). «Полный химический синтез и электрофизиологическая характеристика механочувствительных каналов из Escherichia coli и Mycobacterium tuberculosis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (14): 4764–9. Bibcode:2004PNAS..101.4764C. Дои:10.1073 / pnas.0305693101. ЧВК  387322. PMID  15041744.
  17. ^ а б Клода, Анна; Мартинац, Борис (2002). «Общее эволюционное происхождение механочувствительных ионных каналов у архей, бактерий и эукарий с клеточными стенками». Археи. 1 (1): 35–44. Дои:10.1155/2002/419261. ЧВК  2685541. PMID  15803657.
  18. ^ а б Кунг С., Мартинац Б., Сухарев С. (2010). «Механочувствительные каналы в микробах». Ежегодный обзор микробиологии. 64: 313–29. Дои:10.1146 / annurev.micro.112408.134106. PMID  20825352.
  19. ^ Корри Б., Ригби П., Лю З. В., Мартинац Б. (декабрь 2005 г.). «Конформационные изменения, связанные со стробированием канала MscL, измеренные с помощью FRET-спектроскопии». Биофизический журнал. 89 (6): L49–51. Bibcode:2005BpJ .... 89L..49C. Дои:10.1529 / biophysj.105.072009. ЧВК  1367003. PMID  16199508.
  20. ^ Перозо Э., Клода А., Кортес Д.М., Мартинац Б. (сентябрь 2002 г.). «Физические принципы, лежащие в основе преобразования двухслойных деформационных сил во время механочувствительного стробирования канала». Структурная биология природы. 9 (9): 696–703. Дои:10.1038 / nsb827. PMID  12172537. S2CID  17910920.
  21. ^ Йошимура К., Номура Т., Сокабе М. (апрель 2004 г.). «Мутации потери функции на краю воронки механочувствительного канала MscL». Биофизический журнал. 86 (4): 2113–20. Bibcode:2004BpJ .... 86.2113Y. Дои:10.1016 / S0006-3495 (04) 74270-8. ЧВК  1304062. PMID  15041651.
  22. ^ а б Бетанзос М., Чанг К.С., Гай Х.Р., Сухарев С. (сентябрь 2002 г.). «Большое подобное радужке расширение белка механочувствительного канала, вызванное натяжением мембраны». Структурная биология природы. 9 (9): 704–10. Дои:10.1038 / nsb828. PMID  12172538. S2CID  32505662.
  23. ^ Белый В., Камараджу К., Акитаке Б., Анишкин А., Сухарев С. (июнь 2010 г.). «Адаптивное поведение бактериальных механочувствительных каналов связано с мембранной механикой». Журнал общей физиологии. 135 (6): 641–52. Дои:10.1085 / jgp.200910371. ЧВК  2888061. PMID  20513760.

внешняя ссылка

По состоянию на это редактирование, в этой статье используется контент из «1.A.22 Семейство механочувствительных ионных каналов с большой проводимостью (MscL)», который лицензирован таким образом, чтобы разрешить повторное использование в соответствии с Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Непортированная лицензия, но не под GFDL. Все соответствующие условия должны быть соблюдены.