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LYRMタンパク質（ロイシン-チロシン-アルギニンモチーフ）はLYRMとも呼ばれ、真核生物にのみ存在する小型（11～22 kDa）の塩基性タンパク質で、主にミトコンドリアに存在するタンパク質のスーパーファミリーであり、N末端付近の保存されたLYR様モチーフにちなんで名付けられています。[ 1 ] [ 2 ]これらはOXPHOS複合体I、II、III、Vの補助サブユニットまたはアセンブリ因子として機能し、鉄硫黄（Fe-S）クラスター生合成、ミトコンドリア翻訳、電子伝達フラボタンパク質（ETF）機能、酢酸代謝において重要な役割を果たします。[ 3 ] [ 1 ] LYRMタンパク質のほとんどは、アシル化ミトコンドリアアシルキャリアタンパク質（acyl-mtACP）に結合することでアロステリックに活性化されるため、その機能にミトコンドリア脂肪酸合成（mtFAS）に依存している。[ 4 ]このメカニズムは、鉄と酸素の毒性相互作用から細胞を保護するために進化したと考えられている。[ 5 ]
LYRMタンパク質は真核生物にのみ存在しますが、種によって異なります。[ 1 ] LYRMタンパク質は嫌気性真核生物では失われているか、 LYRM4の形でのみ保持されていますが、ヒトには12種類のLYRMタンパク質が存在します。[ 1 ]
ヒトでは少なくとも12種類のLYRMタンパク質が同定されている（2019年）：[ 6 ]
ミトコンドリア複合体Iに埋め込まれているLYRM3とLYRM6を除いて、 LYRMタンパク質は可溶性のマトリックス局在タンパク質である。[ 12 ]
これらは核DNAから転写された後、細胞質でリボソームによって合成され、その後ミトコンドリアに輸送される。[ 1 ]一部のメンバーは細胞質と核の両方で確認されている。[ 2 ]
LYRMタンパク質は、配列相同性によってComplex1_LYR様スーパーファミリー（PfamクランCL0491、バイオインフォマティクス解析により同定され、P. Coggill（EMBL-EBI）によりキュレーションされた）と定義される、保存された小型ミトコンドリアタンパク質のファミリーを構成します。 [ 2 ] [ 13 ]このファミリーは、もともとミトコンドリア鉄硫黄クラスター（ISC）アセンブリ機構内でシステイン脱硫酵素NFS1を安定化させるLYRM4に基づいて定義されました。 [ 14 ] LYRトリペプチドのみが存在するだけでは、タンパク質をLYRMとして分類するには不十分であり、追加の保存されたアミノ酸残基も存在する必要があります。[ 2 ]このファミリーのメンバーは、次の特徴を共有しています。
このファミリーは、もともとミトコンドリア鉄硫黄クラスター（ISC）アセンブリ機構内でシステイン脱硫酵素NFS1を安定化させるLYRM4に基づいて定義されました。 [ 14 ]すべてのLYRMタンパク質に共通しているのは、電子伝達タンパク質やミトコンドリアリボソームなど、鉄硫黄クラスターを含む、鉄硫黄クラスターを合成する、または鉄硫黄クラスターと機能的に関連しているミトコンドリア標的複合体に存在することです。[ 5 ]唯一の例外はFMC1で、鉄硫黄クラスターを欠く標的複合体である複合体Vで作用しますが、この複合体はミトコンドリアの鉄の取り込みに関連しています。[ 5 ]
これらの特徴により、LYRMタンパク質は、過去に一部の著者が、SDHB、NDUFAF3、ミトコンドリアリボソームタンパク質などのミトコンドリアタンパク質によく見られるモチーフであるLYRトリペプチドを含むが、 LYRMファミリーのその他の定義特性を欠くタンパク質に対して使用してきた、より広範な用語「LYRタンパク質」と区別されます。[ 2 ]
真核生物では、鉄硫黄（Fe-S）クラスターは、酸化還元反応、電子伝達、酵素触媒作用、遺伝子発現の調節、DNA修復において多用途な補因子として機能します。[ 15 ]これらは、フラタキシンから鉄が、NFS1 -LYRM4複合体から硫黄が供給され、 ISCU足場タンパク質上に組み立てられます。[ 16 ]この複合体は、LYRM4を介してアシル-mtACPに結合し、この相互作用により、そうでなければ分解しやすい複合体が安定化されます。[ 16 ]いったん形成されると、Fe-Sクラスターは、ISCU、コシャペロンHSC20、およびシャペロンHSPA9からなるFe-S転移複合体によって標的タンパク質に転移されます。[ 16 ]
鉄硫黄クラスターが他のLYRMタンパク質の助けを借りてOXPHOS複合体IIおよびIIIに組み込まれる過程については、以下の「OXPHOS複合体の構築」の項で説明します。
これらの複合体の組み立ては、核およびミトコンドリアにコードされたサブユニットの転写と翻訳、個々のサブユニットの輸入と組み立て、鉄硫黄クラスターなどの必須補因子の挿入による成熟を含む、厳密に制御され協調されたプロセスに依存しています。[ 12 ] OXPHOS複合体は、スーパーコンプレックスとして知られる高次構造にさらに組み立てられることがあり、その形成と安定性は、アシル化されたmtACPとLYRMタンパク質間の相互作用によって影響を受けます。[ 5 ]
3つのLYRMタンパク質（LYRM3、LYRM6、LYRM2 ）は複合体Iと関連していることが知られています。呼吸鎖の最初の複合体は、NADH酸化とユビキノン還元をミトコンドリア内膜を横切るプロトンポンプと共役させ、ATP合成を駆動するプロトン駆動力の最大の単一寄与因子を構成します。[ 17 ]特定の条件下では、反応は逆転し、NAD +の還元につながります。[ 17 ]
LYRM3は複合体Iの必須補助サブユニットであり、膜アームの遠位プロトン輸送モジュールPDに位置している。[ 12 ]隣接するmtACPと安定なヘテロ二量体を形成し、複合体Iの安定性と組み立てに寄与している。[ 12 ]
LYRM6は複合体Iの必須補助サブユニットでもある。[ 18 ]複合体Iのマトリックスアーム（Qモジュール）と膜アーム（Pモジュール）の間の重要な界面付近に結合し、mtACPとヘテロ二量体を形成する。[ 18 ] LYRM6の隣接する2つのループは複合体Iの中央サブユニットと直接相互作用し、この界面の安定化に寄与する。[ 18 ]特に、LYRM6はプロトンポンプ機構に不可欠な構造要素であるサブユニットND3のTMH1-2ループの安定化に重要な役割を果たしている。 [ 18 ]
LYRM2はミトコンドリアに存在し、複合体Iと直接相互作用してその活性を高める。[ 7 ]
LYRM8とACN9は複合体IIのFe-Sクラスター含有サブユニットSDHBの組み立てに必要である。[ 2 ]クエン酸回路の一部として、複合体IIはコハク酸のフマル酸への酸化とユビキノンの還元を共役させる。[ 19 ] LYRM8とACN9の機能にはアシル-mtACPとの相互作用が含まれる。[ 6 ]
LYRM8 は複合体 II の組み立て因子として機能し、 Fe–S クラスター転送複合体の一部であるHSC20と SDHB サブユニット間の橋渡し役を担っています。[ 20 ]複合体 II の 4 つのサブユニットの 1 つとして、SDHB は、3 つの鉄硫黄クラスターを介してサブユニット SDHA からユビキノンに電子を伝達する中心的な役割を果たしています。HSC20 は LYR モチーフを認識し、高い親和性で結合しますが、SDHB 自体には 2 つの L(I)YR モチーフ、N 末端付近の IYR モチーフ、およびC 末端に近い LYR モチーフしか含まれていません。[ 20 ] [ 21 ] [ 19 ]ただし、SDHB は LYRM タンパク質の 1 つではありません。[ 2 ]さらに、SDHB内のいくつかの芳香族アミノ酸領域は、アルギニンに富むC末端ドメインを介してLYRM8タンパク質の一時的な結合を可能にし、それによってHSC20のLYRM部位を提供し、Fe-SクラスターのSDHBへの組み込みに寄与する。[ 20 ]注目すべきことに、LYRM8自体もN末端と中央領域に2つのLYRモチーフを含んでいるが、HSC20はN末端モチーフにのみ結合する。[ 20 ]
ACN9は複合体IIの成熟に関与するアセンブリ因子として機能する。[ 19 ]具体的には、複合体IIの活性に不可欠なSDHBサブユニットへの鉄硫黄（Fe-S）クラスターの組み込みに寄与する。[ 19 ]しかし、その正確な分子役割はまだ完全に解明されていない。[ 19 ]酵母のデータによると、ACN9は糖新生とエタノールまたは酢酸を炭水化物に変換する役割を担っている。[ 22 ]
LYRM7は複合体IIIの組み立て因子として機能し、リースケ鉄硫黄タンパク質のシャペロンとして働く。[ 23 ]複合体IIIの役割は、 Qサイクルを介して2電子キャリアであるユビキノンから1電子キャリアであるシトクロムcに電子を伝達し、同時にプロトンをポンプして勾配を形成することである。複合体IIIは二量体（CIII 2）として機能し、各モノマーは11個のサブユニットから構成される。これらのうち、3つは触媒的である。すなわち、シトクロムb、シトクロムc1、および[2Fe–2S]クラスター（リースケ中心）を含むリースケ鉄硫黄タンパク質である。 [ 24 ]組み立て過程において、安定しているが機能しない「後期コア」プレ複合体IIIが形成され、リースケ鉄硫黄タンパク質とサブユニットQcr10を除くすべてのサブユニットが含まれる。[ 24 ]組み立てを完了するために、LYRM7 はミトコンドリアマトリックス内でリースケ鉄硫黄タンパク質に結合して安定化させ、その後、内膜へ移行し、プレコンプレックスに組み込まれます。[ 23 ]これにより、リースケ鉄硫黄タンパク質がタンパク質分解や温度誘導凝集から保護されます。[ 25 ]リースケ鉄硫黄タンパク質と Qcr10 の両方がプレコンプレックス III に最終的に組み込まれるのは、AAA-ATPase BCS1Lによって促進され、コンプレックス III の組み立てが完了します。[ 26 ] [ 24 ]
FMC1は、特に高温下では、適切なF1アセンブリに必要なシャペロンであるATP12を安定化させることにより、複合体Vのアセンブリ因子として機能します。 [ 1 ]複合体Vは、回転触媒機構を介して電子伝達系によって生成されるプロトン駆動力を利用して、ADPと無機リン酸からATPを合成します。 [ 27 ]複合体Vは、プロトンを輸送するミトコンドリア内膜に埋め込まれたFoドメインと、ATP合成が行われるマトリックスに露出したF₁ドメインから構成されています。[ 27 ] F₁ドメイン内では、交互に配置されたαサブユニットとβサブユニットからなる触媒六量体リングのアセンブリにはATP12が必要であり、FMC1は高温下でATP12をサポートします。これがないと、サブユニットは適切に組み込まれず、ミトコンドリアマトリックスに凝集します。[ 28 ] FMC1はLYRMタンパク質ファミリーに属しますが、その機能はアシル化mtACPとは独立しており、LYRモチーフの重要な残基が欠如していること、および3つのαヘリックスによって形成されるチャネルが十分に疎水性ではないことと一致しています。[ 1 ]それにもかかわらず、FMC1は非アシル化mtACPと相互作用し、アセチルCoAが制限されている場合でもF 1ドメインの組み立てを可能にします。[ 1 ]これにより、複合体Vは代謝ストレスの間も機能し続け、逆方向に動作してATPを加水分解し、タンパク質の輸入やその他の輸送プロセスに必要なプロトン勾配を維持することができます。[ 1 ]
LYRM5は電子伝達フラボタンパク質（ETF）の2つのサブユニットETFAとETFBと相互作用し、 FAD結合部位を不安定化させ、FADの放出、ひいては正常な電子伝達の中断につながる。[ 29 ] ETFは電子キャリアとして機能し、脂肪酸およびアミノ酸酸化に関与するミトコンドリアフラボタンパク質（例えば、アシルCoAデヒドロゲナーゼ、イソバレリルCoAデヒドロゲナーゼ）と一時的に結合し、自身のFADがFADH2に還元される際に電子を受け取る。[ 30 ]還元されたETFは解離し、電子をETF:ユビキノン酸化還元酵素（ETF:QO）に伝達する。ETF:QOはミトコンドリア内膜に埋め込まれた酵素で、FADも含有している。[ 30 ] ETF:QOはそれによって還元され、呼吸鎖のユビキノン（CoQ10）に電子を渡す。[ 29 ]他のLYRMファミリーメンバーとは異なり、LYRM5は特徴的なロイシン-チロシン-アルギニンモチーフを欠いており、代わりにロイシン-チロシン-リジンモチーフを含んでいる。[ 1 ]
LYRMタンパク質L0R8F8とmtACPは、ヒトミトリボソームの組み立て因子として機能する。[ 11 ]ミトリボソームは、ミトコンドリアmRNAを13種類の特定のタンパク質に翻訳し、これらのタンパク質はミトコンドリア呼吸鎖の複合体I、III、IV、Vに構造サブユニットとしてのみ組み込まれる。[ 31 ]ヒトミトリボソーム大サブユニット（mt-LSU）成熟の後期段階では、MALSU1、L0R8F8、mtACPからなる複合体がmt-LSUと結合する。[ 11 ]この複合体は、小サブユニット（mt-SSU）との時期尚早な結合を立体的に防ぎ、ミトリボソームサブユニット結合のタイミングを調節する。[ 11 ]構造解析により、L0R8F8 と mtACP の相互作用は、L0R8F8 の LYR モチーフと mtACP の 4'-ホスホパンテテイン部分によって媒介されることが示されています。[ 11 ]注目すべきことに、この文脈では、mtACP は非アシル化形態のホロ mtACP として存在し、構造データにはアシル鎖の密度は観察されません。[ 11 ] [ 32 ]
FMC1を除いて、LYRM タンパク質の機能は、アシル化ミトコンドリアアシルキャリアタンパク質(acyl-mtACP)との相互作用に依存しており、このタンパク質は3 つの α ヘリックスによって形成される LYRM タンパク質の疎水性チャネルに脂肪アシル鎖を挿入します。[ 1 ]結合すると、mtACP の柔軟な4'-ホスホパンテテインアームに付着した脂肪アシル鎖は、疎水性空洞から LYRM タンパク質の空洞に反転します。[ 6 ]この相互作用には、LYR 様モチーフと高度に保存された下流のフェニルアラニン残基も必要であり、これらはまとめて LYR-F モチーフと呼ばれます。[ 1 ] LYRM タンパク質は、非アシル化およびアシル化の両方の形態で4'-ホスホパンテテイン修飾 mtACP ( holo -mtACP) と相互作用できますが、アシル化形態に対して明確な好みと高い親和性を示します。[ 4 ]ホロmtACPのアシル化型は、アセチルCoAの利用可能性に応じてミトコンドリア脂肪酸合成（mtFAS）によって生成される。[ 33 ] [ 4 ] LYRMタンパク質への効果的な結合には、10～16炭素長の脂肪アシル鎖が必要である。[ 16 ]
mtACPのアシル化は、ミトコンドリアのアセチルCoA合成の障害に敏感なアセチルCoA依存性の翻訳後修飾であり、 OXPHOS複合体の組み立て因子として機能するLYRMタンパク質をアロステリックに活性化します。 [ 4 ]このメカニズムは、アセチルCoAの利用可能性がmtACPのアシル化とLYRMを介したOXPHOSの組み立てを調節し、それによってNADHとFADH2の酸化とクエン酸回路の活性を高め、それがアセチルCoAの消費を促進するというフィードバックループを形成すると考えられています。[ 33 ]これにより、基質が豊富なときに細胞は酸化能力を高めることができ、基質が制限された条件下では電子伝達系の活性を抑制し、それによって活性酸素種（ROS）の生成を減らすことができます。[ 33 ]
OXPHOSアセンブリにおける役割に加えて、mtACPおよびLYRMタンパク質はミトコンドリア翻訳にも関与していることが示唆されている。[ 1 ]哺乳類のミトリボソームアセンブリおよびミトコンドリア翻訳におけるmtFASの役割は実験的に研究されていないが、構造解析により、LYRMタンパク質L0R8F8と非アシル化mtACPがミトリボソームアセンブリ因子MALSU1に結合していることが明らかになった。[ 32 ]この発見は、mtACPのアシル化が複合体の放出を促進し、ミトリボソームアセンブリの進行を可能にするという、mtACP-LYRM結合様式の特異性を示唆している。 [ 32 ]さらに、LYRM1はミトコンドリア翻訳放出因子1様（MTRF1L）と相互作用すると予測され、LYRM9はミトコンドリアリボソームタンパク質L57 （MRPL57）と相互作用すると予測されている。[ 1 ]
ヒトLYRMの欠陥は、ミトコンドリア機能における重要な役割のため、重篤な疾患と関連付けられています。[ 1 ]