排出ポンプ

排出ポンプは、細胞内の不要な物質を排出する能動輸送体です。排出ポンプは、抗生物質を除去する細菌の重要な構成要素です。 ^{[1]排出は、重金属、有機汚染物質、植物が生成した化合物、クオラムセンシング信号、細菌代謝物、}神経伝達物質の移動でもあります。いくつかの例外を除き、すべての微生物は、排出ポンプをコードするゲノム内に高度に保存された DNA 配列を持っています。排出ポンプは、能動排出と呼ばれるプロセスで、微生物から物質を能動的に排出します。これは、異物代謝の重要な部分です。この能動排出メカニズムは、細菌種内で細菌病原体に対するさまざまなタイプの耐性に関与しています。最も懸念されるのは抗生物質耐性です。微生物は、毒素を細胞質から細胞外培地に迂回させるように適応した排出ポンプを持つことができるためです。^[2]

排出システムは、エネルギー依存メカニズム（能動輸送）を介して機能し、特定の排出ポンプを通じて不要な毒性物質を排出します。排出システムの中には薬剤に特異的なものもあれば、小型多剤耐性（SMR）トランスポーターを持つ複数の薬剤に対応するものもあります。^{[3] [4]}

排出ポンプは、あらゆる種類の細胞の細胞質膜に局在するタンパク質輸送体です。これらは能動輸送体であり、機能を果たすために化学エネルギー源を必要とします。アデノシン三リン酸の加水分解をエネルギー源として利用する一次能動輸送体もあれば、水素イオンまたはナトリウムイオンを細胞内に 送り込むことで生じる電気化学的電位差と輸送が連動する二次能動輸送体（ユニポーター、シンポーター、またはアンチポーター）もあります。

細菌の排出ポンプは、アミノ酸 配列 と基質の排出に使用されるエネルギー源 に基づいて、5 つの主要なスーパーファミリーに分類されます。

1. 主要促進因子スーパーファミリー（MFS）^[5]
2. ABCトランスポーター^[5]
3. 小規模多剤耐性ファミリー（SMR）^[5]
4. 耐性-根粒形成-細胞分裂スーパーファミリー（RND）^[5]
5. マルチ抗菌性押し出しタンパク質ファミリー（MATE）。^[5]

これらのうち、ABCスーパーファミリーのみが一次輸送体であり、残りはプロトンまたはナトリウム勾配をエネルギー源として利用する二次輸送体である。MFSはグラム陽性細菌で優勢であるのに対し、RNDファミリーはかつてはグラム陰性細菌に特有であると考えられていた。その後、RNDファミリーはすべての主要な界で発見されている。^[6]

排出ポンプは、一般的に外膜排出タンパク質、中間ペリプラズムタンパク質、内膜タンパク質、および膜貫通ダクトで構成されています。膜貫通ダクトは細胞の外膜にあります。ダクトは、ペリプラズム膜タンパク質と膜貫通輸送体の 2 つの他のタンパク質にも結合しています。システムのペリプラズム膜タンパク質と内膜タンパク質は結合して、ダクト (チャネル) の開閉を制御します。毒素がこの内膜タンパク質に結合すると、内膜タンパク質が生化学的カスケードを生じ、ペリプラズム膜タンパク質と外膜タンパク質に信号が伝達されてチャネルが開き、毒素が細胞外に移動します。このメカニズムは、内膜輸送体による H+ イオンへの毒素の転送によって生成される、エネルギー依存性のタンパク質間相互作用を利用しています。^[7] AcrAB-TolCポンプの 完全に組み立てられたin vitroおよびin vivo構造は、cryoEMおよびcryoETによって解明されている。^{[8] [9]}

抗生物質は排出システムの最も重要な臨床的基質ですが、ほとんどの排出ポンプには他の自然な生理学的機能があると考えられます。例:

• 大腸菌のAcrAB排出システムは、胆汁酸と脂肪酸を排出して毒性を低下させる生理学的役割を担っている。^[10]
• ストレプトマイセス・プリスティナエスピラリスのMFSファミリーPtrポンプは、プリスティナマイシンIとIIの産生を開始すると、この生物の自己免疫ポンプとなるようです。^[11]
• 大腸菌のAcrAB-TolCシステムは、大腸菌膜中のカルシウムチャネル成分の輸送に役割を果たしていると考えられている。^[12]
• MtrCDEシステムは、淋菌の直腸分離株において糞便脂質に対する耐性を与えることで保護的な役割を果たしている。^[13]
• エルウィニア・アミロヴォラのAcrAB排出システムは、 この生物の毒性、植物（宿主）への定着、および植物毒素に対する耐性にとって重要である。^[14]
• P. aeruginosaのMexXY-OprM多剤排出システムのMexXY成分は、PA5471遺伝子産物を介してリボソームを標的とする抗生物質によって誘導される。^[15]
• 排出ポンプもバイオフィルム形成に役割を果たしていることが示されている。しかし、そのようなポンプの基質、およびその排出活性の変化がバイオフィルム形成に直接的または間接的に影響を及ぼすかどうかはまだ明らかにされていない。^[16]

排出システムが天然基質以外の多数の化合物を認識できるのは、おそらく、基質認識が、古典的な酵素-基質またはリガンド-受容体認識のような定義された化学的性質ではなく、疎水性、芳香族性、イオン化特性などの物理化学的性質に基づいているためである。ほとんどの抗生物質は両親媒性分子（親水性と疎水性の両方の特性を持つ）であるため、多くの排出ポンプによって簡単に認識される。^[要出典]

排出メカニズムが抗菌薬耐性に与える影響は大きく、これは通常、以下の理由によると考えられています。

• 排出ポンプをコードする遺伝子要素は染色体および/またはプラスミド上にコードされている可能性があり、それぞれ内因性（自然）耐性と獲得耐性の両方に寄与している。耐性の内因性メカニズムとして、排出ポンプ遺伝子は敵対的な環境（抗生物質の存在下など）でも生き残ることができるため、これらの遺伝子を 過剰発現する変異体を選択することができる。プラスミドやトランスポゾンなどの輸送可能な遺伝子要素上に配置されていることは、排出遺伝子を離れた種間で容易に拡散できるため、微生物にとっても有利である。^[17]
• 抗生物質はいくつかの排出ポンプの発現の誘導剤および調節剤として作用する可能性がある。 ^[15]
• 特定の細菌種における複数の排出ポンプの発現は、いくつかの多剤排出ポンプの共有基質を考慮すると、広範囲の耐性スペクトルにつながる可能性があり、1つの排出ポンプは広範囲の抗菌剤に対する耐性を付与する可能性があります。^[2]

真核細胞では、 1976年にジュリアーノとリングがP糖タンパク質を発見して以来、排出ポンプの存在が知られています。^[18]排出ポンプは、真核細胞における抗がん剤耐性の主な原因の1つです。排出ポンプには、モノカルボキシレートトランスポーター（MCT）、多剤耐性タンパク質（MDR）（P糖タンパク質とも呼ばれます）、多剤耐性関連タンパク質（MRP）、ペプチドトランスポーター（PEPT）、およびNa+リン酸トランスポーター（NPT）が含まれます。これらのトランスポーターは、腎臓近位尿細管、腸、肝臓、血液脳関門、および脳の他の部分の特定の部分に沿って分布しています。

現在、抗生物質と併用して抗生物質の排出を阻害する薬剤を開発する試験がいくつか行われている。これまでのところ、治療用に承認された排出阻害剤はないが、臨床分離株や細胞生物学研究で排出ポンプの普及率を判定するためにいくつか使用されている。例えばベラパミルは、 P糖タンパク質を介したDNA結合蛍光体の排出を阻害するために使用され、DNA含有量の蛍光細胞選別を容易にする。カロテノイドのカプサンチンやカプソルビン^[19]、フラボノイドのロテノンやクリシン^[19]、アルカロイドのリゼルゴール^{[20]など、さまざまな}天然物が細菌の排出ポンプを阻害することが示されている。酸化亜鉛などの 一部のナノ粒子も細菌の排出ポンプを阻害する。^[21]

• 抗生物質耐性