リポ多糖 (LPS)が細胞質から細胞外膜へ輸送される構造基盤の理解深まる : crisp

出典

[NEWS＆VIEWS] "Lipopolysaccharide transport ratcheted up" Bishop RE. Nature. 2019-03-20
[Li 論文] "Structural basis of lipopolysaccharide extraction by the LptB₂FGC complex" Li Y, Orlando BJ, liao M. Nature. 2019-03-20
[Owen 論文] "Structural basis of unidirectional export of lipopolysaccharide to the cell surface" Owens TW [..] Bertani BR, Ruiz N, Kruse AC. Nature. 2019-03-20.
[crisp_bio注] 構造情報は文末参照

背景

グラム陰性菌の表層は、リン脂質の二重層からなる細胞質膜 (細胞内膜)と、その外側にペリプラズムと呼ばれる薄い空間を介して、内側がリン脂質、外側がリポ多糖 (LPS: Lipopolysaccharide)で構成される非対称な脂質二重層 (細胞外膜)とで形作られている*。
LPSは細胞質で生成され、細胞内膜のペリプラズム側から引き出され、ペリプラズムを横断して細胞外膜へと輸送され、細胞外膜の細胞外側に位置するに至る。この輸送装置の実体は、LptAからLptGと呼ばれる７種類のリポ多糖輸送タンパク質 (Lpt: Lipopolysaccharide transport proteins)であることが知られている (下図* 参照)。
(*) 奥田傑・Daniel Kahne「大腸菌のペリプラズム空間でのリポ多糖の輸送は細胞質におけるATP加水分解エネルギーにより駆動される」ライフサイエンス新着論文レビュー 2012年12月4日　© 2012 奥田傑・Daniel Kahne Licensed under CC 表示 2.1 日本

成果

細胞内膜の細胞質側で生成されたLPS前駆体は、ABC輸送体フリッパーゼのMsbAによって細胞内膜を横断して成熟型になり、第２のABC輸送体であるLptB₂FGC複合体によって細胞内膜から引き出され、LptC, LptAおよびLptD-LptEで形作られるブリッジを経て細胞外膜の細胞外表面側へと到達する。
このLptB₂FGC複合体の構造が今回、Li (Harvard Medical School)ら、ならびに、Owen (Harvard University)らによって、それぞれ、Escherichia coliについてクライオ電顕法で、Vibrio choleraeとEnterobacter cloacaeについてX線結晶構造解析により解かれ、その結果、LptB₂FGC複合体がLPSに結合し、それに伴いLptB₂FGC複合体のコンフォメーションが変化し、LPSが非可逆的に細胞外膜へ輸送される過程の分子機序が詳らかにされた。

機序

LptCの膜貫通ヘリックスが、LptFとLptGの間に"クサビ"として入り込み、キャビティーが生成されて、LPSが先行研究で見出されていたLptB₂FGC複合体内チャンバーへと移動し、 βゼリーロール構造として知られるLptF内のLPS結合モチーフに局在し、LptC, LptAおよびLptDのβゼリーロール構造を経て細胞外膜表面に至る。先行研究では、LptFとLptGが対称関係にありいずれもがLPSの輸送経路になるとされていた。今回、"クサビ"が非対称的に入ることでLptFとLptGの関係も非対称になり、LptCの βゼリーロール構造ドメインがLptFに選択的に重なる。こうして、LptFからLptDまでLPSの輸送経路となるβゼリーロール構造が連続し、LptGを経由した輸送は発生しない。
ATPの加水分解とLPSの共役関係が、LptCと結合している状態のLptB₂FGC複合体でより強くなることも同定された。ATPのLptB₂FGC複合体への結合と加水分解のサイクルと、１分子のLPSがLptB₂FGC複合体チャンバーからLptCひいてはブリッジへの押し出される事象とが、共役する。OwenらはV. choleraeとE. のLptB₂FGC複合体の構造比較と変異誘導実験からブリッジの入り口にゲート構造が存在し、ATPの加水分解には影響することなく、その開閉によってブラウン運動によるLPSの細胞内膜への逆行が防止されることを示唆した。