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ABCトランスポーター、ATPシンターゼ（ATP）結合カセットトランスポーター は、最大かつおそらく最も古い遺伝子ファミリーの1つである輸送システムスーパーファミリーです。原核生物からヒトまで、現存するすべての門に存在します。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] ABCトランスポーターはトランスロカーゼに属します。
ABCトランスポーターは複数のサブユニットから構成されることが多く、そのうち1つまたは2つは膜貫通タンパク質であり、1つまたは2つは膜結合型AAA ATPaseである。ATPaseサブユニットは、アデノシン三リン酸（ATP）の結合および加水分解のエネルギーを利用して、基質の膜透過に必要なエネルギーを供給する。この透過は、基質の取り込みまたは排出のいずれの場合にも適用される。
ほとんどの取り込みシステムには、溶質結合タンパク質である細胞外受容体も備わっています。相同なATPアーゼの中には、RNAの翻訳やDNA修復など、輸送とは関係のないプロセスで機能するものもあります。[ 4 ] [ 5 ] ABCトランスポーターは、ATP結合カセット（ABC）ドメインの配列と構成の類似性に基づいてABCスーパーファミリーと考えられていますが、膜貫通タンパク質は複数回独立して進化してきたようで、異なるタンパク質ファミリーを構成しています。[ 6 ] ABCエクスポーターと同様に、高解像度の3次元構造に基づくと、ABC取り込みシステムの膜貫通タンパク質も少なくとも3回独立して進化してきた可能性があります。[ 7 ] ABC取り込みポーターは、さまざまな栄養素、生合成前駆体、微量金属、ビタミンを取り込み、一方、エクスポーターは、脂質、ステロール、薬剤、およびさまざまな一次および二次代謝産物を輸送します。ヒトにおけるこれらの輸送体の一部は、腫瘍抵抗性、嚢胞性線維症、およびその他の様々な遺伝性疾患に関与している。原核生物および真核生物（ヒトを含む）において、これらの輸送体の一部をコードする遺伝子が高レベルで発現すると、抗生物質や抗がん剤などの複数の薬剤に対する耐性が発達する。
数百のABCトランスポーターが原核生物と真核生物の両方から特徴づけられています。[ 8 ] ABC遺伝子は細胞内の多くのプロセスに不可欠であり、ヒト遺伝子の変異はいくつかのヒト遺伝性疾患を引き起こしたり、それに寄与したりします。[ 9 ]ヒトでは48のABC遺伝子が報告されています。これらのうち、多くが特徴づけられ、嚢胞性線維症、副腎白質ジストロフィー、スターガルト病、薬剤耐性腫瘍、デュビン・ジョンソン症候群、バイラー病、進行性家族性肝内胆汁うっ滞、X連鎖性鉄芽球性貧血、運動失調、持続性および高インスリン性低血糖症など、ヒトに存在する疾患と因果関係があることが示されています。[ 8 ] ABCトランスポーターは多剤耐性にも関与しており、これが一部のABCトランスポーターが最初に同定された方法です。がん細胞でABC輸送タンパク質が過剰発現すると、抗がん剤を排出して腫瘍を耐性にすることができます。[ 10 ]
ABCトランスポーターは、ATP結合および加水分解のエネルギーを利用して、さまざまな基質を細胞膜を介して輸送します。これらは主に3つの機能カテゴリーに分けられます。原核生物では、インポーターが栄養素の細胞内への取り込みを仲介します。輸送可能な基質には、イオン、アミノ酸、ペプチド、糖、および主に親水性のその他の分子が含まれます。ABCトランスポーターの膜貫通領域は、親水性基質を膜二重層の脂質から保護し、細胞膜を横断する経路を提供します。真核生物にはインポーターは存在しません。原核生物と真核生物の両方に存在するエクスポーターまたはエフラクサーは、毒素や薬剤を細胞外に排出するポンプとして機能します。グラム陰性細菌では、エクスポーターは脂質と一部の多糖類を細胞質からペリプラズムに輸送します。ABCタンパク質の3番目のサブグループはトランスポーターとして機能せず、翻訳およびDNA修復プロセスに関与しています。[ 4 ]
細菌のABCトランスポーターは、細胞の生存、毒性、および病原性に不可欠です。 [ 1 ] [ 4 ]例えば、鉄ABC取り込みシステムは、毒性の重要なエフェクターです。[ 11 ]病原体は、エンテロバクチンなどのシデロフォアを使用して、高親和性鉄結合タンパク質または赤血球と複合体を形成している鉄を回収します。これらは、細菌によって分泌され、鉄を鉄-シデロフォア複合体に再吸収する高親和性鉄キレート分子です。アグロバクテリウムツメファシエンスのchvE-gguAB遺伝子は、毒性にも関連するグルコースおよびガラクトースインポーターをコードしています。 [ 12 ] [ 13 ]トランスポーターは、細胞内で発生する望ましくない変化に対抗するタンパク質システムとして機能するため、細胞の生存に極めて重要です。例えば、潜在的に致命的な浸透圧の上昇は、溶質の取り込みを媒介する浸透圧感知ABCトランスポーターの活性化によって相殺される。[ 14 ]輸送機能以外にも、一部の細菌ABCタンパク質はいくつかの生理学的プロセスの調節にも関与している。[ 4 ]
細菌の排出システムでは、細胞から排出する必要のある特定の物質には、細菌細胞の表面成分（莢膜多糖類、リポ多糖類、テイコ酸など）、細菌の病原性に関与するタンパク質（溶血、ヘム結合タンパク質、アルカリプロテアーゼなど）、ヘム、加水分解酵素、S層タンパク質、コンピテンス因子、毒素、抗生物質、バクテリオシン、ペプチド抗生物質、薬剤、シデロフォアなどが含まれます。[ 15 ]また、細胞外多糖類生合成[ 16 ]やシトクロム生合成[ 17 ]などの生合成経路でも重要な役割を果たしています。
真核生物のABCトランスポーターのほとんどは排出トランスポーターですが、基質の輸送に直接関与しないものもあります。嚢胞性線維症膜貫通調節因子（CFTR）やスルホニル尿素受容体（SUR）では、ATP加水分解がABCタンパク質自体または他のタンパク質によって運ばれるイオンチャネルの開閉の調節に関与しています。[ 5 ]
ヒトABCトランスポーターは、ABC遺伝子の多型に起因するいくつかの疾患に関与しており、まれに単一のABCタンパク質の機能の完全な喪失によっても関与している。 [ 18 ]このような疾患には、メンデル遺伝病や、嚢胞性線維症、副腎白質ジストロフィー、スターガルト病、タンジール病、免疫不全、進行性家族性肝内胆汁うっ滞、デュビン・ジョンソン症候群、弾性線維性仮性黄色腫、限局性腺腫性過形成による乳児期持続性高インスリン性低血糖症、X連鎖性鉄芽球症および貧血、加齢黄斑変性、家族性低アポタンパク血症、網膜色素変性症、錐体桿体ジストロフィーなどの複雑な遺伝性疾患が含まれる。[ 5 ]ヒトABCB（MDR/TAP）ファミリーは、構造的に無関係なさまざまな薬剤に対する多剤耐性（MDR）の原因となっている。 ABCB1またはMDR1 P糖タンパク質は、脂質輸送が主な機能である他の生物学的プロセスにも関与しています。副腎によるステロイドアルドステロンの分泌を媒介することがわかっており、その阻害は樹状免疫細胞の遊走を阻害しました[ 19 ] 。これはおそらく脂質血小板活性化因子（PAF）の外部輸送に関連しています。また、ABCB1はABCB1トランスフェクト細胞においてコルチゾールとデキサメタゾンの輸送を媒介しますが、プロゲステロンの輸送は媒介しないことも報告されています。MDR1はコレステロール、ホスファチジルコリン（PC）の短鎖および長鎖アナログ、ホスファチジルエタノールアミン（PE）、ホスファチジルセリン（PS）、スフィンゴミエリン（SM）、グルコシルセラミド（GlcCer）も輸送できます。 MDR1トランスポーターを介した多様な内因性脂質の多特異輸送は、脂質の二重膜間分布、特にPSやPEなど、通常は細胞膜内側リーフレットに優勢な脂質の分布に影響を与える可能性がある。[ 18 ]
最近では、ABCトランスポーターが胎盤内に存在することが示されており、異物から発達中の胎児を保護する役割を果たす可能性があることが示唆されている。[ 20 ]証拠によれば、ABCトランスポーターであるP糖タンパク質（P-gp）と乳がん抵抗性タンパク質（BCRP）の胎盤発現は、正期産胎盤と比較して早産胎盤で増加しており、絨毛膜羊膜炎を伴う早産ではP-gp発現がさらに増加している。[ 21 ]程度は低いものの、母体のBMIの増加も胎盤ABCトランスポーター発現の増加と関連しているが、早産の場合に限られる。[ 21 ]
すべての ABC 輸送タンパク質は、4 つのコア ドメインからなる構造組織を共有しています。[ 22 ] これらのドメインは、2 つの膜貫通 (T) ドメインと 2 つの細胞質 (A) ドメインから構成されています。2 つの T ドメインは、内向きと外向きの向きを交互に切り替え、この切り替えはアデノシン三リン酸 ( ATP)の加水分解によって駆動されます。ATP は A サブユニットに結合し、その後加水分解されて切り替えの動力となりますが、このプロセスの詳細は不明です。4 つのドメインは、主に細菌に存在する 4 つの別々のポリペプチドに存在するか、1 つまたは 2 つのマルチ ドメインポリペプチドに存在する可能性があります。[ 10 ]ポリペプチドが 1 つのドメインである場合は、完全なドメインと呼ばれ、2 つのマルチ ドメインである場合は、ハーフ ドメインと呼ばれます。[ 9 ] T ドメインはそれぞれ、通常 10 個の膜貫通 α ヘリックスから構成されており、輸送される物質はこれらのヘリックスを通って細胞膜 を通過できます。また、Tドメインの構造が各ABCタンパク質の特異性を決定します。内向きコンフォメーションでは、 Aドメイン上の結合部位は周囲の水溶液に直接開いています。これにより、親水性分子がリン脂質二重層の内側リーフレットから直接結合部位に入ることができます。さらに、タンパク質のギャップは、膜二重層の内側リーフレットの疎水性コアから直接アクセスできます。これにより、疎水性分子がリン脂質二重層の内側リーフレットから直接結合部位に入ることができます。ATP駆動による外向きコンフォメーションへの移動後、分子は結合部位から解放され、外形質リーフレットまたは細胞外培地に直接脱出することができます。[ 10 ]
すべての ABC トランスポーターに共通する特徴は、膜貫通ドメイン (TMD)とヌクレオチド結合ドメイン (NBD)という 2 つの異なるドメインから構成されていることです。TMD は、膜貫通ドメイン (MSD) または膜貫通ドメイン (IM) とも呼ばれ、膜二重層に埋め込まれたα ヘリックスから構成されています。TMD はさまざまな基質を認識し、構造変化を起こして基質を膜を越えて輸送します。TMD の配列と構造は、輸送可能な基質の化学的多様性を反映して変化します。一方、NBD または ATP 結合カセット (ABC) ドメインは細胞質に位置し、高度に保存された配列を持っています。NBD は ATP 結合部位です。[ 23 ]ほとんどのエクスポーターでは、N 末端膜貫通ドメインと C 末端 ABC ドメインが融合して単一のポリペプチド鎖となり、TMD-NBD-TMD-NBD の順に配置されています。一例として、大腸菌の溶血素排出タンパク質HlyBが挙げられる。輸入タンパク質は逆の構造、すなわちNBD-TMD-NBD-TMDを持ち、ABCドメインがN末端側、TMDがC末端側に位置し、マクロライド耐性に関与する大腸菌のMacBタンパク質などがこれに該当する。[ 4 ] [ 5 ]
ABCトランスポーターの構造は、少なくとも2つのTMDと2つのNBDから構成されます。2つのTMDと2つのNBDサブユニットを含む4つの個々のポリペプチド鎖が結合して、ビタミンB12の取り込みに関与する大腸菌BtuCD [ 24 ] [ 25 ]インポーターのような完全なトランスポーターを形成することがあります。黄色ブドウ球菌の多剤排出トランスポーターSav1866 [ 26 ]のようなほとんどの排出トランスポーターは、 2つのハーフトランスポーターまたはヌクレオチド結合ドメイン（NBD）に融合したTMDのモノマーからなるホモダイマーで構成されています。完全なトランスポーターは、機能を得るためにしばしば必要になります。一部のABCトランスポーターは、このクラスのタンパク質の調節機能に寄与する追加の要素を持っています。特に、インポーターは、ペリプラズムで基質と特異的に結合して適切なABCトランスポーターに届ける高親和性結合タンパク質（BP）を持っています。輸出タンパク質には結合タンパク質はありませんが、膜貫通ヘリックスとABCドメインをつなぐ細胞内ドメイン（ICD）があります。ICDはTMDとNBD間のコミュニケーションを担っていると考えられています。[ 23 ]
ほとんどのトランスポーターは、モノマーあたり6つのαヘリックスからなる合計12個のαヘリックスで構成される膜貫通ドメインを持っています。TMDは構造的に多様であるため、一部のトランスポーターは異なる数のヘリックス（6～11個）を持っています。TMドメインは、タイプI ABCインポーター、タイプII ABCインポーター、およびABCエクスポーターの3つの異なるフォールドセットに分類されます。インポーターフォールドの分類は、配列の詳細な特徴付けに基づいています。[ 23 ]
タイプ I ABC インポーター フォールドは、モリブデン酸トランスポーターの ModB TM サブユニットで最初に観察されました。[ 27 ]この診断フォールドは、MalFGK 2の MalF および MalG TM サブユニット[ 28 ]および Met トランスポーター MetI [ 29 ]でも見られます。MetIトランスポーターでは、最小限の 5 つの膜貫通ヘリックスがこのフォールドを構成していますが、ModB と MalG の両方には追加のヘリックスが存在します。フォールドの共通の構成は、転座経路に沿って並ぶ TM2-5 ヘリックスの「上下」トポロジーと、外側の膜に面した表面を包み込み、他の TM ヘリックスと接触する TM1 ヘリックスのことです。
タイプ II ABC インポーターのフォールドは、BtuCD [ 24 ]の 20 個の TM ヘリックス ドメインと、インフルエンザ菌由来の相同トランスポーターである Hi1471 [ 30 ]で観察される。BtuCD では、ヘリックスのパッキングは複雑である。注目すべきパターンは、TM2 ヘリックスがサブユニットの中心を通って配置され、他のヘリックスに近接して囲まれていることである。一方、TM5 および TM10 ヘリックスは TMD 界面に配置されている。ABC エクスポーターの膜貫通領域は、一方のサブユニットのヘリックス TM1 および TM2 と他方のサブユニットの TM3-6 から構成される 2 つの「翼」に組織化されており、ドメイン交換配置になっている。顕著なパターンは、TM1-3 ヘリックスが膜平面内の軸を中心とした約 2 回の回転によって TM4-6 と関連付けられていることである。[ 23 ]
エクスポーターフォールドは、もともとSav1866構造で観察されたものです。モノマーあたり6本、合計12本のTMヘリックスが含まれています。[ 23 ]
ABCドメインは、RecA様モーターATPaseに類似した触媒コアドメインと、 ABCトランスポーターに特有のより小さく構造的に多様なαヘリックスサブドメインの2つのドメインから構成されます。より大きなドメインは通常、2つのβシートと6つのαヘリックスから構成され、触媒ウォーカーAモチーフ（GXXGXGKS/T、Xは任意のアミノ酸）またはPループとウォーカーBモチーフ（ΦΦΦΦD、Φは疎水性残基）が存在します。ヘリックスドメインは、3つまたは4つのヘリックスと、LSGGQモチーフ、リンカーペプチド、またはCモチーフとしても知られるABCシグネチャーモチーフから構成されます。ABCドメインには、TMDとABCをつなぐQループ、リッド、またはγリン酸スイッチと呼ばれる柔軟なループに存在するグルタミン残基もあります。 QループはNBDとTMDの相互作用、特に基質転座中のTMDのコンフォメーション変化へのヌクレオチド加水分解のカップリングに関与していると考えられている。Hモチーフまたはスイッチ領域には高度に保存されたヒスチジン残基が含まれており、これはABCドメインとATPの相互作用においても重要である。ATP結合カセットという名称は、ATPサンドイッチの形成とATP加水分解時にこのクラスのタンパク質の折り畳みまたはモチーフが特徴的な配置をとることに由来する。[ 4 ] [ 15 ] [ 23 ]
輸送体の 2 つの ABC ドメインの二量体形成には ATP 結合が必要である。[ 31 ]一般的に、ATP 結合状態は ABC ドメイン間の最も広い界面と関連していることが観察されているが、ヌクレオチド非結合輸送体の構造は ABC ドメイン間の分離が大きいコンフォメーションを示す。[ 23 ]単離された NBD の ATP 結合状態の構造は、HisP、[ 32 ] GlcV、[ 33 ] MJ1267、[ 34 ] E. coli MalK (EcMalK)、[ 35 ] T. litoralis MalK (TlMalK)、[ 36 ]などの輸入体、および TAP、[ 37 ] HlyB、[ 38 ] MJ0796、[ 39 ] [ 40 ] Sav1866、[ 26 ]および MsbA などの輸出体について報告されている。[ 41 ]これらの輸送体では、ATP は ABC ドメインに結合しています。2 分子の ATP は、一方のサブユニットの Walker A モチーフともう一方のサブユニットの LSGGQ モチーフの間に挟まれた、二量体の界面に位置しています。[ 23 ]これは、最初に Rad50 [ 42 ]で観察され、 Methanococcus jannaschiiの LolD 輸送体の NBD サブユニットである MJ0796 [ 40 ]およびマルトース輸送体の EcMalK [ 35 ]の構造で報告されました。これらの構造は、ATP が触媒作用中に P ループおよび LSGGQ モチーフの残基と密接に接触していることを明らかにした生化学的研究の結果とも一致していました。[ 43 ]
ヌクレオチド結合は、活性部位の静電的および/または構造的完全性を確保し、活性NBD二量体の形成に寄与するために必要です。[ 44 ] ATPの結合は、次の相互作用によって安定化されます。(1) ウォーカーAモチーフに先行する保存された芳香族残基とATPのアデノシン環とのリングスタッキング相互作用、[ 45 ] [ 46 ] (2) ウォーカーAモチーフ内の保存されたリジン残基とATPのβ-リン酸およびγ-リン酸の酸素原子との間の水素結合、およびこれらのリン酸とウォーカーAモチーフ内のいくつかの残基とMg2 +イオンとの配位、[ 33 ] [ 37 ]および(3) LSGGQモチーフ内のセリン側鎖およびグリシン残基の主鎖アミド基とのγ-リン酸の配位。 [ 47 ]さらに、ATP結合と二量体化の密接なカップリングを示唆する残基は、Hループ内の保存されたヒスチジンである。このヒスチジンは、ウォーカーAモチーフと、ウォーカーBモチーフに続く保存配列であるDループ内の二量体界面を挟んだ残基と接触している。[ 35 ] [ 40 ] [ 42 ] [ 48 ]
ATPの酵素的加水分解には、リン酸の適切な結合とγリン酸の攻撃する水への配置が必要である。[ 23 ]ヌクレオチド結合部位では、ATPのβリン酸とγリン酸の酸素原子はウォーカーAモチーフの残基によって安定化され[ 49 ] [ 50 ] 、Mg2 +と配位する。[ 23 ]この Mg 2+イオンは、攻撃する H 2 Oを介して、Walker B モチーフの末端アスパラギン酸残基とも配位する。 [ 33 ] [ 34 ] [ 39 ]一般的な塩基、すなわちWalker B モチーフに隣接するグルタミン酸残基、[ 31 ] [ 40 ] [ 46 ] Q ループのグルタミン、 [ 30 ] [ 36 ] [ 40 ]または ATP の γ リン酸と水素結合を形成するスイッチ領域のヒスチジンは、攻撃する H 2 Oを促進することによって ATP 加水分解の速度を触媒することがわかっている。[ 35 ] [ 36 ] [ 40 ] [ 48 ] ATP加水分解の正確な分子メカニズムは依然として議論の的となっている。[ 4 ]
ABCトランスポーターは能動輸送体であり、アデノシン三リン酸（ATP）の形でエネルギーを利用して基質を細胞膜を越えて輸送します。これらのタンパク質は、ATP結合および/または加水分解のエネルギーを利用して膜貫通ドメイン（TMD）の構造変化を駆動し、結果として分子を輸送します。[ 51 ] ABCインポーターとエクスポーターは、基質を輸送するための共通のメカニズムを持っています。それらは構造的に類似しています。基質の結合に関連する構造変化を説明するモデルは、交互アクセスモデルです。このモデルでは、基質結合部位は外向きと内向きの構造の間で交互に変化します。基質に対する2つの構造の相対的な結合親和性が、輸送の正味の方向を大きく決定します。インポーターの場合、輸送はペリプラズムから細胞質に向かって行われるため、外向きの構造の方が基質に対する結合親和性が高くなっています。対照的に、エクスポーターでは、内向きの構造の方が基質の結合親和性が高くなっています。[ 23 ] ATP結合と加水分解の結果としてヌクレオチド結合ドメイン（NBD）のコンフォメーション変化を説明するモデルは、ATPスイッチモデルです。このモデルは、NBDの2つの主要なコンフォメーションを示しています。2つのATP分子が結合すると閉じた二量体が形成され、ATP加水分解と無機リン酸（P i）およびアデノシン二リン酸（ADP）の放出によって開いた二量体に解離します。開いた二量体と閉じた二量体のコンフォメーション間の切り替えは、TMDのコンフォメーション変化を誘発し、基質の転座を引き起こします。[ 52 ]
ABCトランスポーターの輸送サイクルの一般的なメカニズムは完全には解明されていませんが、ATP結合と加水分解がトランスポーターのコンフォメーション変化と連動しているというモデルを支持する構造的および生化学的データが蓄積されています。すべてのABCトランスポーターの静止状態では、NBDは開いた二量体構造をとっており、ATPに対する親和性は低くなっています。この開いた構造には、トランスポーター内部にアクセスできるチャンバーがあります。輸送サイクルは、基質がTMDの高親和性部位に結合することによって開始され、これによりNBDのコンフォメーション変化が誘発され、ATPの結合が促進されます。2分子のATPが協同的に結合して、閉じた二量体構造を形成します。閉じたNBD二量体はTMDのコンフォメーション変化を誘発し、TMDが開いて、初期状態とは反対の開口部を持つチャンバーを形成します。基質のTMDへの親和性が低下し、基質が放出されます。 ATPの加水分解が続いて、P iとADPが順次放出され、トランスポーターは基本構成に戻ります。共通のメカニズムが示唆されていますが、基質結合、ヌクレオチド結合と加水分解、構造変化の順序、およびドメイン間の相互作用については、まだ議論が続いています。[ 4 ] [ 15 ] [ 18 ] [ 23 ] [ 41 ] [ 44 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]
ABCトランスポーターを研究しているいくつかのグループは、トランスポーター機能の駆動力について異なる仮説を立てている。一般的には、ATP加水分解が輸送のための主要なエネルギー入力、すなわち「パワーストローク」を提供し、NBDは交互に機能し、輸送サイクルの異なる段階に関与している可能性があると考えられている。[ 56 ]しかし、最近の構造および生化学的データは、ATP加水分解ではなくATP結合が「パワーストローク」を提供することを示している。[ 57 ]また、ATP結合がNBDの二量体化を誘発するため、二量体の形成が「パワーストローク」を表している可能性もある。さらに、一部のトランスポーターは、ATPの結合と加水分解において同様の能力を持たないNBDを有しており、NBD二量体の界面が2つのATP結合ポケットから構成されていることから、輸送サイクルにおいて2つのNBDが同時に機能していることが示唆される。[ 52 ]
ATP結合が輸送サイクルの動力ストロークであることを示す証拠がいくつか報告されている。[ 52 ] ATP結合はTMDの基質結合特性に変化をもたらすことが示されている。ABCトランスポーターの基質に対する親和性を直接測定することは困難であり、例えばATPase活性の刺激による間接的な測定は、しばしば他の律速段階を反映している。最近、非加水分解性ATPアナログ、例えば5'-アデニリル-β-γ-イミド二リン酸（AMP-PNP）の存在下でのビンブラスチンの透過酵素糖タンパク質（P糖タンパク質）への結合の直接測定により、加水分解がない場合でもATP結合は基質結合親和性を低下させるのに十分であることが示された。[ 58 ]また、ATP結合はTMDに大きな構造変化をもたらす。分光学的、プロテアーゼアクセス性、および架橋研究により、NBDへのATP結合が多剤耐性関連タンパク質-1（MRP1）[ 59 ] 、 HisPMQ [ 60 ] 、 LmrA [ 61 ]、およびPgp [ 62 ]のコンフォメーション変化を誘導することが示されている。AMP-PNP結合Pgpの2次元結晶構造は、輸送サイクル中の主要なコンフォメーション変化がATP結合時に発生し、その後のATP加水分解によってより限定的な変化が生じることを示している[ 63 ] 。膜貫通αヘリックスの回転と傾斜の両方がこれらのコンフォメーション変化に寄与する可能性がある。他の研究では、ATP結合がNBD閉鎖二量体形成を誘導することを確認することに焦点を当てている。無傷の輸送複合体の生化学的研究は、NBDのコンフォメーション変化が比較的小さいことを示唆している。 ATPが存在しない場合、NBDは比較的柔軟である可能性があるが、他のドメインに対するNBDの大きな再配向は伴わない。ATP結合は、2つのABCサブドメインの互いに対する剛体回転を誘発し、これによりヌクレオチドが活性部位に適切に整列し、指定されたモチーフと相互作用することができる。2つのATP分子の結合は協同的である可能性があるという強力な生化学的証拠がある。つまり、NBDが二量体化して閉じた触媒活性コンフォメーションを形成する前に、ATPが2つの活性部位ポケットに結合する必要がある。[ 52 ]
細菌における栄養素やその他の分子の取り込みを媒介するほとんどのABCトランスポーターは、高親和性溶質結合タンパク質（BP）に依存している。BPは、グラム陰性細菌の内膜と外膜の間のペリプラズム空間に存在する可溶性タンパク質である。グラム陽性微生物はペリプラズムを持たないため、結合タンパク質は細胞膜の外側面に結合したリポタンパク質であることが多い。一部のグラム陽性細菌は、トランスポーター自体の膜貫通ドメインにBPが融合している。[ 4 ]完全なABCインポーターの最初の成功したX線結晶構造は、 Archaeoglobus fulgidus由来のモリブデントランスポーター（ModBC-A）である。[ 27 ]他の 3 つの細菌インポーター、大腸菌BtuCD、[ 24 ]大腸菌マルトース輸送体 (MalFGK 2 -E)、[ 28 ]およびインフルエンザ菌の推定金属キレート輸送体HI1470/1、[ 30 ]の原子分解能構造も決定されています。これらの構造は、膜貫通ドメインと ABC ドメインの相互作用の詳細な図を提供するとともに、反対方向に 2 つの開口部を持つ 2 つの異なるコンフォメーションを明らかにしました。インポーターのもう 1 つの共通の特徴は、各 NBD が、主に TMD の短い細胞質ヘリックス、つまり「カップリングヘリックス」を介して 1 つの TMD に結合していることです。EAA ループのこの部分は、RecA 様サブドメインとヘリックス ABC サブドメインの間に形成された表面の溝にドッキングし、膜二重層とほぼ平行になります。[ 54 ]
BtuCDとHI1470/1は、大型（II型）ABCトランスポーターに分類されます。ビタミンB12トランスポーターであるBtuCDの膜貫通サブユニットは10個のTMヘリックスを含み、機能単位はヌクレオチド結合ドメイン（NBD）と膜貫通ドメイン（TMD）がそれぞれ2コピーずつから構成されます。TMDとNBDは、2つのTMヘリックス間の細胞質ループとABCのQループを介して相互作用します。ヌクレオチドが存在しない場合、2つのABCドメインは折り畳まれ、二量体界面は開いています。結合タンパク質が存在する場合（BtuCDF）と存在しない場合（BtuCD）の構造を比較すると、BtuCDはペリプラズムに面した開口部を持ち、BtuCDFでは外向きのコンフォメーションが膜の両側に閉じていることがわかります。BtuCDとBtuCDホモログであるHI1470/1の構造は、ABCトランスポーターの2つの異なるコンフォメーション状態を表しています。 BtuCD の予測される転座経路は、ペリプラズム側で開いており、膜の細胞質側で閉じているのに対し、HI1470/1 の転座経路は反対方向を向いており、細胞質側にのみ開いている。構造上の違いは、一方の TM サブユニットが他方に対して 9° ねじれていることである。[ 4 ] [ 23 ] [ 54 ]
結合タンパク質と複合体を形成したModBC-AとMalFGK 2 -Eの構造は、小型（I型）ABCトランスポーターに相当する。ModBC-AとMalFGK 2 -EのTMDは、サブユニットあたり6つのヘリックスしか持たない。ModBC-Aのホモ二量体は、TMサブユニット（ModB）が逆V字型に配向し、細胞質にアクセスできる空洞を持つコンフォメーションをとっている。一方、ABCサブユニット（ModC）は、ヌクレオチドを含まない開いたコンフォメーションをとっており、一方のサブユニットのPループは他方のサブユニットのLSGGQモチーフに面しているが、LSGGQモチーフからは離れている。結合タンパク質ModAは閉じたコンフォメーションをとっており、基質は2つのローブ間の溝に結合し、ModBの細胞外ループに付着しており、基質はトランスポーターの閉じた入口の真上に位置する。 MalFGK 2 -E の構造は、ATP 加水分解の触媒遷移状態に似ています。閉じたコンフォメーションで、一方のサブユニットの Walker A および B モチーフともう一方のサブユニットの LSGGQ モチーフの間に挟まれた 2 つの ATP 分子を含んでいます。マルトース結合タンパク質 (MBP または MalE) は TM サブユニット (MalF および MalG) のペリプラズム側にドッキングしており、MalF と MalG の界面には大きな閉塞空洞が見られます。TM ヘリックスの配置は、細胞質に向かって閉じていますが、外側に向かって開いているコンフォメーションになっています。この構造は、MBP が結合すると輸送体のATPase活性を刺激する可能性を示唆しています。[ 4 ] [ 23 ] [ 54 ]
インポーターの輸送機構は、交互アクセスモデルを支持する。インポーターの静止状態は内向きであり、ヌクレオチド結合ドメイン（NBD）二量体界面は膜貫通ドメイン（TMD）によって開いた状態に保持され、外向きではあるが細胞質からは遮断されている。基質が結合した閉じた結合タンパク質が膜貫通ドメインのペリプラズム側にドッキングすると、ATPが結合し、NBD二量体が閉じる。これにより、トランスポーターの静止状態は外向きコンフォメーションに切り替わり、TMDは結合タンパク質から基質を受け取るように再配向する。ATPの加水分解後、NBD二量体が開き、基質が細胞質に放出される。ADPとPiの放出により、トランスポーターは静止状態に戻る。この機構とATPスイッチモデルとの唯一の矛盾点は、ヌクレオチドが結合していない静止状態のコンフォメーションが、予想される外向きコンフォメーションと異なることである。確かにそうではあるが、重要な点は、NBDはATPと結合タンパク質がトランスポーターに結合しない限り二量体化しないということである。[ 4 ] [ 15 ] [ 23 ] [ 52 ] [ 54 ]
原核生物のABC輸送体は豊富に存在し、真核生物にも相同なタンパク質が存在する。この輸送体は、輸送される基質の種類に基づいて研究されている。1つのクラスはタンパク質（毒素、加水分解酵素、S層タンパク質、ランティバイオティクス、バクテリオシン、コンピテンス因子など）の輸送に関与し、もう1つのクラスは薬剤の排出に関与している。ABC輸送体は、薬剤を細胞外に排出することで、抗生物質や抗がん剤に対する細胞の耐性に寄与するため、広く注目を集めている。 [ 1 ] [ 64 ] [ 4 ]一般的なメカニズムとしては、抗がん剤への曝露を制限するがん細胞におけるP糖タンパク質（P-gp/ABCB1）、多剤耐性関連タンパク質1（MRP1 / ABCC1）、乳がん耐性タンパク質（BCRP/ABCG2）などのABC輸送体の過剰発現が挙げられる。[ 65 ]
グラム陰性菌では、ABCトランスポーターがペリプラズムを経由せずに内膜と外膜を同時に通過してタンパク質基質の分泌を媒介します。このタイプの分泌はI型分泌と呼ばれ、 ABCエクスポーター、膜融合タンパク質（MFP）、外膜因子（OMF）の3つの構成要素が協調して機能します。例として、大腸菌からの溶血素（HlyA）の分泌があり、内膜ABCトランスポーターHlyBが内膜融合タンパク質HlyDと外膜促進因子TolCと相互作用します。TolCはペリプラズムを迂回して溶血素が2つの膜を通過することを可能にします。[ 1 ] [ 64 ] [ 15 ]
細菌の薬剤耐性は、ますます深刻な健康問題となっている。薬剤耐性のメカニズムの一つは、細菌細胞からの抗生物質の排出増加に関連している。P糖タンパク質によって媒介される薬剤排出に関連する薬剤耐性は、もともと哺乳類細胞で報告された。細菌では、Levyらは抗生物質耐性が薬剤の能動的排出によって引き起こされるという最初の証拠を提示した。[ 66 ] P糖タンパク質は最もよく研究されている排出ポンプであり、そのため細菌ポンプのメカニズムに関する重要な洞察を提供してきた。[ 4 ]一部の排出トランスポーターは特定の種類の基質を輸送するが、ほとんどのトランスポーターは構造が異なる多様なクラスの薬剤を排出する。[ 18 ]これらのトランスポーターは一般的に多剤耐性（MDR）ABCトランスポーター と呼ばれ、「疎水性掃除機」と呼ばれることもある。[ 55 ]
P糖タンパク質（3.A.1.201.1）は、多剤耐性に関連するよく研究されているタンパク質です。ヒトABCB（MDR/TAP）ファミリーに属し、 ABCB1またはMDR1 Pgpとしても知られています。MDR1は、2つの膜貫通ドメイン（TMD）と2つのヌクレオチド結合ドメイン（NBD）を持つ機能的なモノマーで構成されています。このタンパク質は、主にカチオン性または電気的に中性の基質、および幅広い両親媒性基質を輸送することができます。フルサイズのABCB1モノマーの構造は、電子クライオ結晶学を使用して、ヌクレオチドの存在下および非存在下で得られました。ヌクレオチドがない場合、TMDはほぼ平行で、中央の孔を囲む樽を形成し、開口部は膜の細胞外側に向いており、細胞内側は閉じています。非加水分解性ATPアナログであるAMP-PNPが存在すると、TMDは大幅に再編成され、3つの明確に分離されたドメインになります。 TMDに囲まれた中央の細孔は、細胞内側に向かってわずかに開いており、2つのドメインの間には脂質相からの基質のアクセスを可能にする隙間がある。ヌクレオチド結合時のTMヘリックスの大幅な再配置と可能性のある回転は、輸送メカニズムのヘリックス回転モデルを示唆している。[ 18 ]
モデル植物シロイヌナズナのゲノムは、ヒトゲノムやショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）のゲノムがコードするABCタンパク質が50～70個であるのに対し、120個のABCタンパク質をコードできる。植物ABCタンパク質は、サイズ（フル、ハーフ、クォーター）、向き、および全体的なアミノ酸配列の類似性に基づいて13のサブファミリーに分類される。[ 67 ]多剤耐性（MDR）ホモログ（P糖タンパク質とも呼ばれる）は、植物で最大のサブファミリーであり、22個のメンバーを持ち、全体で2番目に大きなABCサブファミリーである。植物ABCトランスポーター（ABCB）のBサブファミリーは、形質膜に局在することを特徴とする。[ 68 ]植物ABCBトランスポーターは、基質特異性を決定するために、大腸菌、サッカロミセス・セレビシエ、シゾサッカロミセス・ポンベ（分裂酵母）、およびHeLa細胞で異種発現させることにより特徴付けられます。植物ABCBトランスポーターは、植物の成長と発達に不可欠な調節因子である植物ホルモンインドール-3-酢酸（IAA）[ 69 ] 、別名オーキシンを輸送することが示されています。[ 70 ] [ 71 ]オーキシンの方向性のある極性輸送は、光屈性や重力屈性などのプロセスを通じて植物の環境応答を媒介します。[ 72 ]最もよく研究されているオーキシン輸送体である ABCB1 と ABCB19 は、主要なオーキシン輸出体であることが特徴付けられています[ 70 ] ABCB4 などの他の ABCB 輸送体は、オーキシンの輸出と輸入の両方に関与しています[ 70 ]細胞内オーキシン濃度が低い場合、ABCB4 はオーキシンを輸入しますが、ある閾値に達すると機能が反転し、オーキシンのみを輸出するようになります。[ 70 ] [ 73 ]
ABC 輸送体について最初に報告された高解像度構造は、黄色ブドウ球菌由来の Sav1866 (3.A.1.106.2) の構造である。[ 18 ] [ 74 ] Sav1866 は多剤耐性 ABC 輸送体のホモログである。MDR1 および TAP1/TAP2 を含むサブファミリー B のヒト ABC 輸送体と有意な配列類似性を示す。Sav1866 の ATPase 活性は、ドキソルビシン、ビンブラスチンなどの抗がん剤によって刺激されることが知られており、[ 75 ]これは P 糖タンパク質と同様の基質特異性を示唆しており、したがって基質転座の共通のメカニズムが存在する可能性がある。Sav1866 は半輸送体のホモ二量体であり、各サブユニットは 6 つのヘリックスを持つ N 末端 TMD と C 末端 NBD を含む。 NBDは他のABCトランスポーターのNBDと構造が似ており、2つのATP結合部位は、一方のNBDのWalker Aモチーフと他方のNBDのLSGGQモチーフの間の二量体界面に形成される。Sav1866のADP結合構造では、NBDは閉じた二量体であり、TMヘリックスはペリプラズムに向かって配向した2つの「翼」に分裂し、外向きのコンフォメーションを形成している。各翼は、一方のサブユニットのTM1-2ヘリックスと他方のサブユニットのTM3-6ヘリックスから構成される。TMDを接続する長い細胞内ループ（ICLまたはICD）が含まれており、脂質二重層を超えて細胞質に伸び、8=Dと相互作用する。インポーターは単一のNBDと接触する短いカップリングヘリックスを含んでいるのに対し、Sav1866は2つの細胞内カップリングヘリックスを持ち、1つ（ICL1）は両方のサブユニットのNBDと接触し、もう1つ（ICL2）は反対側のNBDサブユニットのみと相互作用する。[ 23 ] [ 26 ] [ 54 ]
MsbA (3.A.1.106.1) は、多剤耐性 (MDR) ABC トランスポーターであり、脂質フリッパーゼである可能性もある。これは、ほとんどのグラム陰性細菌の外膜の外側単層を構成するグルコサミンベースの糖脂質であるリポ多糖(LPS)の疎水性部分である脂質 Aを輸送するATP アーゼである。脂質 A はエンドトキシンであるため、細胞膜からの MsbA の消失、または輸送を阻害する変異は、脂質 A が細胞内膜に蓄積し、細胞死を引き起こす。タンパク質配列相同性から、MsbA は P 糖タンパク質 (Pgp) の近縁の細菌ホモログであり、 Lactococcus lactisの MDR-ABC トランスポーター LmrA と重複する基質特異性を持つ。[ 76 ]大腸菌の MsbA はヒト MDR1 のNH 2末端半分と 36% の相同性があり、両親媒性および疎水性基質の輸送に共通のメカニズムがあることを示唆している。MsbA 遺伝子は、膜貫通ドメイン (TMD) とヌクレオチド結合ドメイン (NBD) が融合したハーフ トランスポーターをコードしている。これは、総分子量 129.2 kD のホモ二量体として組み立てられる。MsbA は、ペリプラズム側に 6 つの TMD、細胞膜の細胞質側に位置する NBD、および TMD と NBD を橋渡しする細胞内ドメイン (ICD) を含む。TMD セグメントから NBD の活性部位内またはその近傍に伸びるこの保存されたヘリックスは、TMD と NBD 間のクロストークに大きく関与している。特に、ICD1はNBDが回転できる保存された支点として機能し、それによってNBDはATP結合および加水分解中に解離および二量体化することができる。[ 4 ] [ 15 ] [ 18 ] [ 23 ] [ 44 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 77 ]
以前に発表された（そして現在は撤回された）MsbAのX線構造は、細菌ホモログSav1866と一致しなかった。[ 78 ] [ 79 ]構造を再検討したところ、ハンドの割り当てに誤りがあり、MsbAのモデルが不正確であることが判明した。最近、誤りが修正され、新しい構造が報告された。[ 41 ]大腸菌MsbAの静止状態は、輸送体の内部にアクセスできるチャンバーを持つ逆「V」字型を示し、開いた内向きのコンフォメーションを示唆している。二量体接触は細胞外ループの間に集中しており、NBDは約50Å離れているが、サブユニットは互いに向き合っている。二量体界面部位の残基間の距離は、架橋実験[ 80 ]およびEPR分光法研究によって検証されている。[ 81 ]比較的大きなチャンバーにより、リピド A に存在するような大きなヘッド グループを収容できます。大きな糖ヘッド グループを膜を横切って移動させるには、大きな構造変化が必要です。 2 つのヌクレオチドフリー (アポ) 構造の違いは、TM4/TM5 ヘリックスが TM3/TM6 ヘリックスに対して約 30° 回転することです。閉じたアポ状態 ( V. cholerae MsbA 由来) では、NBD は整列しており、より近いものの、ATP サンドイッチは形成されておらず、対向するモノマーの P ループは互いに隣り合っています。開いた構造と比較すると、閉じた内向きの構造では、TMD の二量体界面は広範囲に接触しています。MsbA のどちらのアポ構造でも、チャンバーの開口部は内側を向いています。サルモネラ菌から得られた MsbA-AMP-PNP (5'-アデニリル-β-γ-イミド二リン酸) の構造はSav1866 と類似している。このヌクレオチド結合した外向きコンフォメーションの NBD は集まって典型的な ATP 二量体サンドイッチを形成する。つまり、ヌクレオチドは P ループと LSGGQ モチーフの間に位置している。MsbA-closed-apo から MsbA-AMP-PNP へのコンフォメーション変化には 2 つのステップが関与しており、これらは協調的に起こる可能性が高い。TM4/TM5 ヘリックスが TM3/TM6 に向かって約 10° 回転し、NBD を近づけるが整列はせず、続いて TM4/TM5 ヘリックスが平面から約 20° 傾く。ねじれ運動によってTM3/TM6ヘリックスがTM1/TM2から分離し、内向きから外向きのコンフォメーションへと変化する。このように、NBDの配向と間隔の両方の変化によって膜貫通ヘリックスのパッキングが劇的に再配置され、膜の内側リーフレットから外側リーフレットへとチャンバーへのアクセスが効果的に切り替わる。[ 41 ] MsbAについて決定された構造は、輸送の傾斜モデルの基礎となっている。 [ 18 ]記述された構造は、蛍光およびEPR研究によって示唆されているように、ABCエクスポーターの動的な性質も強調している。 [ 54 ] [ 81 ] [ 82 ]最近の研究では、MsbA阻害剤が発見された。 [ 83 ] [ 84 ]
ABCトランスポーターは、交互アクセスモデルとATPスイッチモデルの両方に合致する輸送機構を有している。トランスポーターのアポ状態では、コンフォメーションは内向きであり、TMDとNBDは両親媒性または疎水性基質を収容するために比較的離れている。特にMsbAの場合、チャンバーのサイズはリポ多糖（LPS）の糖基を収容できるほど大きい。複数のグループが示唆しているように、基質の結合が輸送サイクルを開始する。「パワーストローク」、すなわちNBDの二量体化とATPサンドイッチの形成を誘導するATP結合が、TMDのコンフォメーション変化を駆動する。MsbAでは、「パワーストローク」の間、糖ヘッド基はチャンバー内に隔離される。空洞は荷電および極性残基で裏打ちされており、これらは溶媒和されている可能性が高く、疎水性基質にとってはエネルギー的に不利な環境、両親媒性化合物の極性部分またはLPSの糖基にとってはエネルギー的に有利な環境を作り出している。脂質はチャンバー環境では長時間安定できないため、脂質 A やその他の疎水性分子は、外膜リーフレット内でエネルギー的に有利な位置に「反転」する可能性があります。「反転」は、LPS の疎水性尾部が脂質二重層を通り抜ける間に TMD の剛体せん断によっても引き起こされる可能性があります。ヘリックスの再パッキングにより、コンフォメーションが外向きの状態に切り替わります。ATP 加水分解によりペリプラズム開口部が広がり、基質が脂質二重層の外リーフレットに向かって押し出されます。2 番目の ATP 分子の加水分解と P iの放出により NBD が分離され、その後静止状態が回復し、チャンバーが細胞質に向かって開き、次のサイクルが始まります。[ 41 ] [ 44 ] [ 52 ] [ 55 ] [ 81 ] [ 85 ]
ABCトランスポーターは、多剤耐性（MDR）の発現において重要な役割を果たすことが知られています。MDRでは、投薬を受けている患者は、服用している薬剤だけでなく、複数の異なる種類の薬剤に対しても耐性を獲得します。これはいくつかの要因によって引き起こされますが、その一つはABCトランスポーターによる細胞からの薬剤排出の増加です。例えば、ABCB1タンパク質（P糖タンパク質）は、腫瘍抑制薬を細胞外に排出する働きをします。PgpはMDR1、ABCB1とも呼ばれ、ABCトランスポーターのプロトタイプであり、最も広く研究されている遺伝子でもあります。Pgpは、有機カチオン化合物または中性化合物を輸送することが知られています。MRPとしても知られるABCCファミリーのメンバーのいくつかは、有機アニオン化合物に対してもMDRを付与することが実証されています。 ABCGファミリーの中で最も研究されているメンバーはABCG2であり、BCRP（乳がん耐性タンパク質）としても知られ、トポテカン、イリノテカン、ドキソルビシンなどのほとんどのトポイソメラーゼIまたはII阻害剤に対する耐性を付与する。
これらのタンパク質がどのようにしてこれほど多様な薬剤を輸送できるのかは正確には不明ですが、あるモデル（疎水性掃除機モデル）では、P糖タンパク質において、薬剤は疎水性に基づいて脂質相から無差別に結合するとされています。
最初の真核生物ABCトランスポータータンパク質の発見は、化学構造が異なる複数の薬剤に耐性を示す腫瘍細胞や培養細胞の研究から得られた。これらの細胞は、当初P糖タンパク質（P-gp）と呼ばれていた多剤耐性（MDR）トランスポータータンパク質を高レベルで発現していることが示されたが、これは多剤耐性タンパク質1（MDR1）またはABCB1とも呼ばれる。このタンパク質は、他のABCトランスポーターと同様にATP加水分解を利用して、細胞質から細胞外培地へ多種多様な薬剤を輸送する。多剤耐性細胞では、MDR1遺伝子が頻繁に増幅されている。その結果、MDR1タンパク質が大量に過剰産生される。哺乳類ABCB1の基質は、主に平面構造で脂溶性であり、1つ以上の正電荷を持つ分子である。これらの基質はすべて輸送をめぐって互いに競合しており、タンパク質上の同じ部位または重複する部位に結合することを示唆している。 ABCB1によって輸送される薬剤の多くは、細胞外培地を拡散して細胞質に入り、そこで様々な細胞機能を阻害する小型の非極性薬剤である。微小管の組み立てを阻害するコルヒチンやビンブラスチンなどの薬剤は、膜を自由に通過して細胞質に入るが、ABCB1によるこれらの薬剤の排出によって細胞内の濃度が低下する。したがって、ABCB1を発現する細胞を死滅させるには、この遺伝子を発現しない細胞よりも高濃度の薬剤が必要となる。[ 10 ]
多剤耐性に関与する他のABCトランスポーターとしては、ABCC1（MRP1）とABCG2（乳がん耐性タンパク質）がある。[ 86 ]
MDR1による多剤耐性に関連する問題を解決するには、異なる種類の薬剤を使用するか、ABCトランスポーター自体を阻害する必要があります。他の種類の薬剤が効果を発揮するには、ABCトランスポーターという耐性機構を迂回する必要があります。これを行うには、アルキル化剤（シクロホスファミド）、抗代謝薬（5-フルオロウラシル）、アントラサイクリン修飾薬（アナマイシンおよびドキソルビシン-ペプチド）などの他の抗がん剤を使用できます。これらの薬剤はABCトランスポーターの基質として機能しないため、輸送されません。もう1つの選択肢は、ABC阻害剤と抗がん剤を同時に併用することです。これにより、抗がん剤に対する耐性が逆転し、意図したとおりに機能するようになります。抗がん剤に対する耐性を逆転させる基質は、化学療法増感剤と呼ばれます。[ 8 ]
薬剤耐性は、感染症患者や癌患者によく見られる臨床上の問題です。原核生物や真核生物の微生物、腫瘍細胞はしばしば薬剤耐性を示します。多剤耐性（MDR）は、ABCトランスポーターの過剰発現と関連していることが多いです。低分子化合物によるABCトランスポーターの阻害は、癌患者において広く研究されてきましたが、臨床結果は期待外れでした。近年、さまざまなRNAi戦略がさまざまな腫瘍モデルにおけるMDRの逆転に適用されており、この技術は癌細胞におけるABCトランスポーターを介したMDRの逆転に効果的であるため、遺伝子治療応用によるMDR克服のための有望な戦略となっています。RNAi技術は、微生物病原体によって引き起こされる感染症におけるMDRの克服にも検討される可能性があります。[ 87 ]
ABCトランスポーターは、腫瘍細胞に多剤耐性（MDR）を付与するだけでなく、健康な細胞の膜にも発現しており、体内のさまざまな物質や異物の輸送を促進します。たとえば、Pgp、MRP、BCRPなどのABCトランスポーターは、腸からの多くの薬剤の吸収を制限し、肝臓細胞から胆汁へ薬剤を送り出すことで、体から異物を除去する役割を果たします[ 88 ]。多くの薬剤は、ABCトランスポーター自体によって輸送されるか、他の薬剤の輸送に影響を与えます。後者の場合、薬剤間相互作用[ 89 ]が生じ、薬剤の効果が変化することがあります[ 90 ] 。
ABCトランスポーターと内因性および外因性化合物との相互作用を検出できるアッセイの種類は数多くあります。[ 91 ]アッセイの複雑さは、小胞輸送アッセイやATPaseアッセイのような比較的単純な膜アッセイから、より複雑な細胞ベースのアッセイ、さらには複雑なin vivoアッセイまで多岐にわたります。Jeffrey P、Summerfield SG ( 2007 ) 。「血液脳関門（BBB）スクリーニングの課題」。Xenobiotica。37（10–11）： 1135–51。doi ： 10.1080 / 00498250701570285。PMID 17968740。S2CID 25944548。 検出方法論。[ 93 ]
小胞輸送アッセイは、 ABCトランスポーターによる分子の転座を検出します。[ 94 ]適切な条件下で調製された膜には、ATP結合部位と基質結合部位がバッファーの外側に面する、内側が外側に向いた小胞が含まれています。トランスポーターの基質は、ATP依存的に小胞内に取り込まれます。ガラス繊維フィルターまたはニトロセルロース膜を使用した迅速なろ過により、小胞をインキュベーション溶液から分離し、小胞内に捕捉された試験化合物はフィルター上に保持されます。輸送された非標識分子の量は、HPLC、LC/MS、LC/MS/MSによって決定されます。あるいは、化合物は放射性標識、蛍光標識、または蛍光タグが付けられており、フィルター上に保持された放射能または蛍光を定量することができます。
小胞輸送研究では、様々な由来（例えば、昆虫細胞、トランスフェクトされた哺乳類細胞株、または選択された哺乳類細胞株）の様々な種類の膜が使用されます。膜は市販されているものもあれば、様々な細胞や組織（例えば、肝胆管膜）から調製することもできます。このアッセイタイプの利点は、基質が細胞膜を横切って実際に移動する様子を測定できることです。欠点は、中程度から高い受動透過性を持つ化合物は小胞内に保持されないため、この種の化合物を用いた直接的な輸送測定が困難になることです。
小胞輸送アッセイは、「間接的」な設定で実施することができ、その場合、相互作用する試験薬がレポーター化合物の輸送速度を調節します。このタイプのアッセイは、薬物間相互作用や薬物と内因性基質との相互作用の可能性を検出するのに特に適しています。化合物の受動透過性には感度がないため、相互作用するすべての化合物を検出できます。ただし、試験した化合物がトランスポーターの阻害剤なのか、それとも競合的にその機能を阻害するトランスポーターの基質なのかについての情報は得られません。間接的な小胞輸送アッセイの典型的な例は、ABCB11（BSEP）によるタウロコール酸輸送の阻害の検出です。
排出トランスポーターを発現する細胞は基質を細胞外へ能動的に排出するため、基質蓄積速度が低下し、定常状態での細胞内濃度が低下し、または基質を負荷した細胞からの基質排出速度が速くなります。輸送された放射性基質または標識蛍光色素を直接測定することも、間接的な設定で、試験薬の存在下でプローブ基質（例えば、ローダミン123やカルセインなどの蛍光色素）の蓄積の変調を判定することもできます。[ 89 ]
カルセイン-AMは、カルセインの高透過性誘導体であり、無傷の細胞に容易に浸透し、そこで内因性エステラーゼによって速やかに加水分解されて蛍光性のカルセインになります。カルセイン-AMとは対照的に、カルセインは透過性が低いため、細胞内に捕捉されて蓄積されます。カルセイン-AMはMDR1およびMRP1排出トランスポーターの優れた基質であるため、MDR1および/またはMRP1トランスポーターを発現する細胞は、エステラーゼが加水分解する前にカルセイン-AMを細胞外に排出します。これにより、カルセインの細胞内蓄積速度が低下します。細胞膜におけるMDR活性が高いほど、細胞質に蓄積されるカルセインは少なくなります。MDRを発現する細胞では、MDR阻害剤またはMDR基質を過剰に添加すると、カルセインの蓄積速度が劇的に増加します。多剤トランスポーターの活性は、阻害剤の存在下と非存在下で蓄積される色素量の差によって反映されます。選択的阻害剤を用いることで、MDR1とMRP1の輸送活性を容易に区別できます。このアッセイは、薬剤と輸送体との相互作用をスクリーニングしたり、細胞のMDR活性を定量化したりするために使用できます。カルセインアッセイは、SOLVO Biotechnology社独自のアッセイです。
ヒトには49種類のABCトランスポーターが存在することが知られており、ヒトゲノム機構によって7つのファミリーに分類されている。
ヒトABCトランスポーターの完全なリストは[ 95 ]から入手できます。
ABCAサブファミリーは、2つのサブグループに分かれた12個の完全なトランスポーターで構成されています。最初のサブグループは、6つの異なる染色体にマッピングされる7つの遺伝子で構成されています。これらは、 ABCA1、ABCA2、ABCA3、ABCA4、ABCA7、ABCA12、およびABCA13です。もう1つのサブグループは、ABCA5とABCA6、ABCA8、ABCA9、およびABCA10で構成されています。A8-10。サブグループ2のすべては、染色体17q24上の染色体の頭尾クラスターに組織化されています。この2番目のサブグループの遺伝子は、ABCA1の50個のエクソンに対して37-38個のエクソンを持つ点で、ABCA1様遺伝子と区別されます。ABCA1サブグループは、遺伝性疾患の発症に関与しています。劣性遺伝性タンジール病では、ABCA1タンパク質に変異が見られます。また、ABCA4は、スターガルト病の遺伝子を含む染色体1p21領域にマッピングされます。この遺伝子は桿体視細胞で高発現しており、スターガルト病、劣性遺伝性網膜色素変性症、および劣性遺伝性錐体桿体ジストロフィーの大部分で変異が見られます。[ 9 ]
ABCBサブファミリーは、4つの完全トランスポーターと2つの半トランスポーターで構成されています。これは、半トランスポーターと完全トランスポーターの両方を持つ唯一のヒトサブファミリーです。ABCB1 は、特定の薬剤耐性腫瘍細胞で過剰発現するタンパク質として発見されました。主に血液脳関門と肝臓で発現し、細胞を毒素から保護する役割を担っていると考えられています。このタンパク質を過剰発現する細胞は、多剤耐性を示します。[ 9 ]
ABCC サブファミリーには 13 個のメンバーがあり、これらの輸送体のうち 9 個は多剤耐性タンパク質 (MRP) と呼ばれています。MRP タンパク質は自然界に広く存在し、多くの重要な機能を媒介しています。[ 96 ]これらはイオン輸送、毒素分泌、シグナル伝達に関与していることが知られています。[ 9 ] 9 つの MRP タンパク質のうち、MRP4、5、8、9 (ABCC4、5、11、12) の 4 つは、2 つの膜貫通ドメインと、それぞれの膜貫通ドメインの後に続くヌクレオチド結合ドメインからなる 4 つのドメインを持つ典型的な ABC 構造を持っています。これらはショート MRP と呼ばれています。残りの 5 つの MRP (MRP1、2、6、7) (ABCC1、2、3、6、10) はロング MRP と呼ばれ、N 末端に 5 番目のドメインが追加されています。[ 96 ]
嚢胞性線維症に関与する輸送体であるCFTRも、このサブファミリーの一部と考えられています。嚢胞性線維症は、CFTRの変異と機能喪失によって発生します。[ 9 ]
インスリン分泌、神経機能、筋機能に関与するスルホニル尿素受容体（SUR）も、このタンパク質ファミリーの一員です。SURタンパク質の変異は、新生児糖尿病の潜在的な原因となります。SURは、スルホニル尿素やジアゾキシドなどのカリウムチャネル開口薬活性化剤といった薬剤の結合部位でもあります。
ABCDサブファミリーは、ペルオキシソームにのみ発現するハーフトランスポーターをコードする4つの遺伝子から構成されています。ABCD1 は、神経変性および副腎機能不全を特徴とする疾患であるX連鎖型副腎白質ジストロフィー（ALD）の原因遺伝子であり、通常は小児期後期に発症します。ALD患者の細胞では、分岐のない飽和脂肪酸が蓄積しますが、この過程におけるABCD1の正確な役割はまだ解明されていません。さらに、他のABCD遺伝子の機能はまだ解明されていませんが、脂肪酸代謝において関連する機能を発揮すると考えられています。[ 9 ]
これらのサブグループはどちらも、他のABCトランスポーターと密接に関連するATP結合ドメインを持つ遺伝子で構成されていますが、これらの遺伝子は膜貫通ドメインをコードしていません。ABCEはOABPまたはABCE1という1つのメンバーのみで構成されており、特定のウイルス感染に応答して産生される特定のオリゴデンドロサイトを認識することが知られています。ABCFサブグループの各メンバーは、1対のATP結合ドメインで構成されています。[ 9 ]
N末端にATP結合部位、C末端に膜貫通ドメインを持つ6つのハーフトランスポーターがABCGサブファミリーを構成している。この向きは他のすべてのABC遺伝子とは逆である。ヒトゲノムにはABCG遺伝子は5つしかないが、ショウジョウバエゲノムには15個、酵母には10個ある。ABCG2遺伝子は、ミトキサントロンに対する高レベルの耐性を持ち、 ABCB1またはABCC1を発現しない細胞株で発見された。ABCG2は、アントラサイクリン系抗がん剤、および基質としてトポテカン、ミトキサントロン、またはドキソルビシンを輸送することができる。染色体転座は、耐性細胞株に見られるABCG2の増幅または再編成を引き起こすことがわかっている。[ 9 ]
TCDBでは、膜貫通型溶質輸送体の以下の分類システムが構築されている。[ 97 ]
ABC エクスポーターの 3 つのファミリーは、その進化上の起源によって定義されます。[ 6 ] ABC1 エクスポーターは、2 TMS 前駆体 (TMS = 膜貫通セグメント。「2 TMS」タンパク質は 2 つの膜貫通セグメントを持つ) の遺伝子内三重化によって進化し、6 TMS タンパク質を生じました。ABC2 エクスポーターは、3 TMS 前駆体の遺伝子内重複によって進化し、ABC3 エクスポーターは、4 TMS 前駆体から進化し、輸送機能に必要な 2 つの 4 TMS タンパク質を生じるように遺伝子外重複するか、8 または 10 TMS タンパク質を生じるように遺伝子内重複しました。10 TMS タンパク質は、2 つの 4 TMS リピート ユニットの間に 2 つの余分な TMS を持っているようです。[ 98 ]ほとんどの取り込みシステム (3.A.1.21 を除くすべて) は ABC2 タイプであり、ヌクレオチドの処理方法によってタイプ I とタイプ II に分けられます。 ABC2 輸送体の特殊なサブファミリーである ECF は、基質認識のために別のサブユニットを使用する。[ 99 ]
ABC1 ( InterPro : IPR036640 ):
ABC2（InterPro ：IPR000412 [部分]）：
ABC3（InterPro ：IPR003838）：
近年、ABCタンパク質の水溶性ドメインの構造が数多く明らかにされている。[ 2 ]