[出典]
- Piazza I, Kochanowski K, Cappelletti V, Fuhrer T, Noor E, Sauer U, Picotti P. "A Map of Protein-Metabolite Interactions Reveals Principles of Chemical Communication" Cell. 2018 Jan 11;172(1-2):358-372.e23. Published online 2018 Jan. 4.
[背景]
- 代謝物は細胞内の分子群の大勢を占め、タンパク質との相互作用を介して細胞過程を調節し、細胞の恒常性に主要な役割を果たしている。しかし、代謝物とタンパク質の相互作用の全体像、インタラクトーム、の解明は、タンパク質間インタラクトームやタンパク質とDNAのインタラクトームの解明に遅れをとっている。
- ETZ ZurichのPaola Picottiらの研究チームはタンパク質限定分解（limited proteolysis, LiP）に質量分析を組み合わせた手法を開発し、酵母内在1,001タンパク質と栄養素の相互作用（Nature Biotechnology, 2014）やE. coli, S. cerevisiae, T. thermophilusおよびヒト細胞におけるのべ8,000種類以上のタンパク質の熱安定性（Science, 2017）を報告してきた。研究チームは今回、E. coli内在タンパク質と代謝物のインタラクトーム解析に取り組んだ。
[手法]
- はじめに、ネイティブ条件で全細胞溶解液をプロテイナーゼK（PK）で処理して、構造に特異的なタンパク質断片を生成し、続いて、トリプシンでボトムアップ質量分析（LC-MS/MS）にかけるペプチドへと分解する。低分子の有無による質量スペクトルの変化から、低分子結合によるPKの切断部位の変化、ひいては、タンパク質の構造変化への推論が可能になる。
- 著者らは今回この手法をLiP-SMap（これまでに、LiP LC-MS/MS Multiple Reaction Monitoring (LiP-SRM)やLiP-MSが使われていた）と、低分子の存在によって切断パターンが変化したタンパ質をputative metabolite binding proteins（MBPs）、量が変化したペプチドをconformotypic peptidesと呼んだ。
[LiP-SMapのベンチマーク]
- 既知の相互作用件数が幅広い3種類の代謝物（600種類のATP；中間的なホスホエノールピルビン酸(PEP)；15種類のL-フェニルアラニン(L-Phe)）について2種類の濃度で解析し、ATP/PEP/L-Pheについて既知の結合特異性と整合するMBPsおよび新規MBPs（低濃度 162/12/2種類；高濃度231/129/41種類）を同定した。
- 抗菌剤セルレニンが結合するタンパク質は唯一Fas2である。LiP-SMapは、セルレニン（cerulenin）に対するMBPが2,500種類のタンパク質の中でFas２唯一であることを示し、LiP-Smapが偽陽性を示す可能性が低いことも確認できた。
[代謝物-タンパク質相互作用の全体像]
- 疎水性、分子量および電荷が広範囲にわたる20種類の代謝物（中心炭素代謝系の中間代謝物、4種類のアミノ酸、7種類のヌクレオシドホスフェート、3'-5'-環状アデノシン一リン酸（cAMP））を対象としてLiP-MS解析：代謝物-タンパク質相互作用1,678種類を推定；1,447種類が新奇（有機酸/糖リン酸が関与する相互作用それぞれ377/410種類を含む）；新奇相互作用に関与するタンパク質のうち76種類がこれまで機能未知）
- 推定相互作用の54%には文献を含む複数の裏付けが存在した。酵素の網羅的データベースBRENDAに存在しなかった推定相互作用が5.5%存在したが、その中には新奇相互作用も含まれると思われる。
- プロテオームの25%が、20種類の代謝物のうち少なくとも1種類の代謝物と相互作用する。"コア・プロテオーム(core proteome)"を構成するさまざまな環境条件下で一貫して発現するタンパク質356 種類は、他のタンパク質よりも、MBPsに推定される頻度が有意に高い。
- Conformotypic peptidesから推定した結合部位は、Protein Data Bankのタンパク質-代謝物複合体構造データベースLigand Expoの実験的に特定された結合部位に極めて近接；酵素の活性部位の３分の１は、複数種類の代謝物と相互作用可能（binding promiscuity）
- 代謝物結合部位の43％が、活性部位以外に位置し、アロステリック作用または触媒作用を帯びている；フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ(FBPアーゼ)がPEPシンセターゼ調節因子PpsRとアロステリック相互作用し、PEPシンセターゼPpsAを調節することで、FBPの濃度に応じて解糖フラックスをスイッチする現象を同定
- 内在代謝物がタンパク質の複合体/重合体のアッセンブリーに影響を与える現象も確認
[先行研究論文]
- 酵母インタラクトーム：Feng Y, De Franceschi G, Kahraman A, Soste M, Melnik A, Boersema PJ, de Laureto PP, Nikolaev Y, Oliveira AP, Picotti P. "Global analysis of protein structural changes in complex proteomes" Nat Biotechnol. 2014 Oct;32(10):1036-44. Published online 2014 Sep 14.
- タンパク質の熱安定性：Leuenberger P, Ganscha S, Kahraman A, Cappelletti V, Boersema PJ, von Mering C, Claassen M, Picotti P. "Cell-wide analysis of protein thermal unfolding reveals determinants of thermostability" Science. 2017 Feb 24;355(6327).；[PERSPECTIVE]Vogel C. "Quantifying protein (dis)order" Science. 2017 Feb 24;355(6327):794-795.
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