細菌ロイシントランスポーター

細菌性ロイシントランスポーター（LeuT）は、細菌細胞内外にアミノ酸を輸送するトランスポーターファミリーに属する、束ねられた12個のαヘリックス タンパク質です。ロイシンやアラニンなどの小さな疎水性アミノ酸に特化したこのトランスポーターは、健康な細胞がその膜を介して通常維持するナトリウムイオンの勾配によって駆動されます。LeuTは共輸送体として機能します。つまり、細胞膜を通過するナトリウムイオンの通過と、同じ方向へのアミノ酸の輸送を結び付けます。このトランスポーターは、抗うつ薬がブロックするヒトの神経伝達物質トランスポーター（結晶化がより困難）と非常によく似ているため、抗うつ薬の作用の内部分子メカニズムを理解するために最初に結晶化されました。これにより、神経軸索とグリア細胞の細胞膜を介した化学メッセンジャーの再取り込みが阻害されます。^{[1] [2]}

LeuTは、2点で接触している2つの同一のサブユニットから構成されるホモ二量体です。これらのポリペプチド鎖はそれぞれ高さ約70、直径48です。その式量は58078.2 Daです。^[3]

これは主に疎水性残基で構成されています。これらは二重層の内側と接触し、親水性残基は細胞外および細胞内空間と接触しています。これが膜貫通タンパク質であることを考慮すると、これは関連する特性であり、水とリン脂質の両方と相互作用することができます。

このトランスポーターの二次構造は、12 個のアルファ ヘリックスと 2 本の短いベータ ストランドで構成されています。また、それらをつなぐループもいくつか見られます。

LeuTは共輸送体であり、ナトリウムイオンの電気化学的電位を利用してロイシンの輸送を促進するため、ナトリウムイオンと疎水性アミノ酸であるロイシン（Leu）の両方がこのタンパク質の中心に結合します。この結合に関与する残基は、膜貫通αヘリックスセグメント1、3、6、8に位置しています。^[3]

細菌性ロイシントランスポーターは、2つのナトリウムイオンの助けを借りて、ロイシンを細胞の外側から内側に運びます。これは、シナプスから化学伝達物質を取り除き、ニューロン内のセロトニン、ドーパミン、ノルアドレナリン、グリシン、またはGABA（-アミノ酪酸）トランスポーターなどの神経伝達を助けるタンパク質の相同体です。これらの特定の輸送タンパク質は、神経信号の後にシナプスをクリアし、神経伝達物質を軸索に戻し、次の信号に備えます。^{[1] [2]}

LeuT は、細菌細胞内外にアミノ酸を輸送する数十のトランスポーターの 1 つです。このタンパク質は、これらの小さな疎水性分子に対して高い親和性を持っているため、ロイシンとアラニンが膜を透過して運ぶ主なアミノ酸です。さらに、タンパク質表面の疎水性特性は、細胞膜の疎水性特性とよく補完します。輸送は、細胞内外の空間に電位差を生み出すナトリウムイオンの勾配によって駆動されます。LeuT は、共輸送体として働く膜貫通タンパク質である共輸送体として機能し、膜を透過する 2 つのナトリウムイオンの通過と、同じ方向へのアミノ酸の輸送を結び付け、プロセスをエネルギー的に有利にします。濃度差によって電気化学電位勾配が生成され、これが有機基質 (この場合はロイシン) の取り込みを触媒するために使用されます。輸送は、他のエネルギー源 (たとえば、ATP) に依存しません。^[3]

ロイシントランスポーターは、神経細胞内の神経伝達物質トランスポーターと同様に、膜を介した輸送チャネルを形成する 12 個のアルファヘリックスの束を持っています。そのため、この細菌タンパク質は、これらの神経タンパク質の原子レベルの細部を研究するための強力なモデルを提供しています。ロイシントランスポーターのヒト相同体は、塩素イオンとナトリウムイオンの濃度に依存しており、すべて Na+/Cl- 依存性トランスポーターのクラスに属しています。

このタンパク質はロッカースイッチのような働きをすると考えられています。細胞外空間に向かって開き、ロイシンとナトリウムイオンが入り込んで結合できるようにします。その後、LeuT は構造変化を起こし、両方の粒子を細胞内に放出します。2 組のアルファヘリックスは、アミノ酸が構造に結合した後、その形状を直接変化させることでロッキング作用を果たすと考えられています。^{[1] [2]} この変化は、タンパク質が機能するために必要です。抗うつ薬などの薬物が結合すると、輸送活性は劇的に低下します。

LeuT は、抗うつ薬が標的タンパク質である神経伝達物質トランスポーターに結合する分子メカニズムを解明することを目的として、ニューヨーク膜タンパク質構造コンソーシアム (NYCOMPS) と他の研究者によって細菌種Aquifex aeolicusから初めて結晶化されました。これらのタンパク質は結晶化が難しいことが判明しているため、LeuT はこれらの薬剤の ドッキングのための有望な相同物として浮上しました。

選択的セロトニン再取り込み阻害薬（SSRI）などの抗うつ薬は、タンパク質の外側の入り口にある大きな空洞に結合しますが、ロイシンの結合部位を競合的に阻害するのではなく、ロイシンの放出につながる構造変化を起こすために必要なタンパク質の動きをブロックすると考えられます。これらは、ロイシン（ Leu25/Leu29）、グリシン（Gly26）、アルギニン（Arg30）、チロシン（Tyr108）、イソロイシン（Ile111）、フェニルアラニン（Phe253）に囲まれたヘアピンループと塩橋によって保持されます。^[4]

しかし、抗うつ薬は、LeuTとの違いにより、ヒト神経伝達物質トランスポーターの開口部に少し深く結合する可能性があるという証拠がいくつかあります。これらは、よりパッケージ化された構造と、神経細胞内の他のタンパク質と相互作用できるようにする鎖の末端の延長です。^[2]これに沿って、下の画像でわかるように、ヒトナトリウム依存性セロトニントランスポーター（SSRIのターゲット）とLeuTの配列相同性はわずか21.5％ですが、両方のタンパク質の三次元構造はよく似ています。

LeuT はこの興味深い物語の第一歩に過ぎません。2013 年にドーパミントランスポーターの構造がX 線結晶化され、この成功によりこのプロセスに対する理解が深まりました。

Clustal Omega を使用して生成された、ヒトのセロトニントランスポーターと LeuT 間の配列アライメント:

「*」は同じアミノ酸を表します // 「:」は保存された置換を表します（同じ化学的性質） // 「.」は半保存された置換を表します（類似の構造）

• 能動輸送
• 膜輸送タンパク質
• 神経伝達物質トランスポーター
• 抗うつ薬の薬理学