大コンダクタンス機械感受性チャネル

大コンダクタンス機械感受性イオンチャネル（MscL）（TC# 1.A.22 ）は、細胞膜のストレスを電気生理学的応答に変換する役割を担う孔形成膜タンパク質のファミリーです。MscLは比較的大きなコンダクタンス（3 nS）を持ち、開口時にはイオン、水、および小さなタンパク質を透過させます。^{[ 1 ]} MscLは浸透圧ショックに応答して伸展活性化浸透圧放出弁として機能します。^{[ 2 ]}

MscLは、パッチクランプ法を用いて巨大大腸菌スフェロプラストの表面で最初に発見されました。^{[ 3 ]}その後、1994年に大腸菌MscL（Ec-MscL）遺伝子がクローニングされました。 ^{[ 4 ]} MscLのクローニング後、結核菌MscL（Tb-MscL）の結晶構造が閉じたコンフォメーションで得られました。^{[ 5 ]}さらに、黄色ブドウ球菌MscL（Sa-MscL）とEc-MscLの結晶構造は、それぞれX線結晶構造解析と分子モデルを用いて決定されています。 ^{[ 6 ] [ 7 ]}しかし、Sa-MscLの構造は生理的なものではなく、結晶化に使用された界面活性剤によるものであることを示唆する証拠もあります。^{[ 8 ] [ 9 ]}

他のイオンチャネルと同様に、MscLは対称オリゴマーとして組織化されており、透過経路は回転対称軸の周りのサブユニットのパッキングによって形成されます。七量体であるMscSとは異なり、MscLは五量体であると考えられます。Sa-MscLは結晶構造では四量体のように見えますが、^{[ 1 ] [ 10 ]}これはアーティファクトである可能性があります。^{[ 8 ] [ 9 ]} MscLには、上下/最近接トポロジーでパッキングされた2つの膜貫通ヘリックスが含まれています。MscLの透過経路はほぼ漏斗状で、より大きな開口部が膜のペリプラズム表面に面し、最も狭い点が細胞質の近くにあります。最も狭い部分では、Ec-MscL の対称性に関連する残基であるLeu 19 とVal 23の側鎖によって細孔が狭められています。 ^{[ 1 ]}開状態の MscL の細孔径は約 3 nm と推定されており、これは最大 9 kD の小さなタンパク質の通過に対応します。^{[ 1 ]}

Ec-MscL は、それぞれ 136 アミノ酸長の 5 つの同一のサブユニットから構成されています。各サブユニットは、細胞外ループで相互接続されたα ヘリックス膜貫通セグメント M1 と M2 を介して膜を 2 回横断します。 ^{[ 2 ]} 10 個の膜貫通スパナーを持つホモペンタマーチャネルを形成します。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} Ec-MscL 分子モデルと Tb-MscL 結晶構造の両方を組み合わせると、膜貫通束の中心にある M1 ヘリックスが機械感受性チャネルのメインゲートを構成していることが明らかです。M1 セグメントに規則的に配置されたグリシン残基により、5 つの中央ヘリックスが密にパッキングされ、狭い (約 4 Å)疎水性収縮部が形成されます。MscL バレル周辺にある疎水性 M2 ヘリックスは、脂質二重層に面しています。^{[ 2 ]}同じサブユニットのM1ヘリックスとM2ヘリックスは連結していないことに注意することが重要です。代わりに、あるサブユニットのM1ヘリックスは、隣接するサブユニットのM2ヘリックスと密接に接触しています。Ec -MscLの塩橋を介した追加の相互作用により、複合体全体が固定されます。^{[ 2 ]}

Tb-MscLのN末端S1ドメインは結晶構造では解明されておらず、短いαヘリックスが束になって追加の細胞質ゲートを形成していると推測されただけであった^{[ 7 ]}。しかし、その後のシステイン架橋実験はこの提案された構成を支持した^{[ 14 ]} 。S1セグメントはチャネル機能に大きな悪影響を与えることなく大きく変異させることができることが示されている^{[ 15 ] 。}

Ec-MscLとTb-MscLはどちらも化学合成され、小胞膜に再構成された。これらのMscLの単一チャネル記録は、対応する野生型MscLと同様のコンダクタンスと圧力依存性を示した。^{[ 16 ]}

物理的な衝撃や振動は動物にとって重要であるが、大腸菌などの微生物にはほとんど影響を与えない。それに比べて、浸透圧は水環境内の個々の細胞や微生物に大きな影響を与える。細菌が浸透圧ショックを受けると、浸透圧の高い培地から低い培地への移行時に、水の流入によって膨圧が大幅に上昇し、細胞膜が破裂する可能性がある。機械感受性チャネルは、細胞質溶質を放出して膨圧を急速に低下させ、溶解を回避するための主要な経路である。遺伝子破壊実験により、MscLチャネルまたはMscSチャネルのいずれかが細菌を強い浸透圧ショックから救うことができる一方、両方のチャネルを二重にノックアウトすると溶解が起こることが確認されている。^{[ 2 ]}

MscL が浸透圧ショックに対する防御機構としての役割を担っていることは、生物史の初期段階においても進化的に重要であったことを示している。MscS とともに、 MscLまたはその相同体は、細菌、古細菌、真菌、高等植物で発見されているが、動物では発見されていない。 ^{[ 17 ] [ 18 ]}細菌と古細菌の機械感受性チャネルは、伝導特性と機械感受性特性が異なるものの、脂質二重層を介して伝達される機械力によって引き起こされる同様のゲーティング機構を共有している。^{[ 17 ]} MscL と MscS は膜貫通ドメインと細胞質ドメインが類似しているが、これらの MS チャネルのポリペプチド折り畳みの全体的な配置は異なっており、共通の進化上の祖先を共有していないことを示している。^{[ 1 ]}

細菌の機械感受性チャネルであるMscLとMscSは、タンパク質の立体構造と周囲の膜の力学との密接な結合を反映している。膜は、加えられた力の入力に反応し、それを出力信号に変換する適応可能なセンサーとして機能する。細胞はこの情報をさまざまな方法で利用できる。浸透圧ストレスが存在する状況下での細胞の生存を確保したり、膜張力の信号変換器として機能したりする可能性がある。^{[ 1 ]}

研究によると、MscL の細孔は閉じているときに直径が約 30Å まで広がり、開くときに 15〜16Å 変化し、これはチャネル タンパク質で知られている最大の構造変化です。^{[ 19 ]}この大きな変化により、直径 30Å の細孔が開き、平面内で 20  nm ^{2 の}タンパク質膨張が生じます。このような変化により、MscL の単一コンダクタンスが 3nS となり、チャネルの選択性が低くなり、分子量が約 1,000 未満の粒子であれば通過できるようになります。MscL のこの特性により、浸透圧ショック時に溶質を放出する緊急弁としての役割を果たします。^{[ 18 ]}

MSチャネルのゲーティング機構を説明するために、膜媒介機構とトラップドア機構の2つのモデルが提案されている。トラップドア機構は、有毛細胞のイオンチャネルの開口に関与している。しかし、現在では、MscLのゲーティングは特に膜媒介機構によって調節されており、膜の厚さや曲率の変化によって埋め込まれたタンパク質のエネルギーバランスが変化するという証拠が増えている。これは、リン脂質二重層の厚さの変化や、自発的な膜曲率を誘発する化合物の添加が、MscLを開くのに必要な張力に直接影響を与えるという観察によって裏付けられている。^{[ 20 ]}

脂質二重層における側方圧力プロファイルの解析により、炭化水素基と極性ヘッド基の間の界面領域で高い張力が生じることが示された。したがって、膜が伸展すると、MscLは主に界面領域に集中した引っ張りを受けることになる。 ^{[ 2 ]}界面付近のタンパク質-脂質相互作用に影響を与える変異は、機能喪失表現型をもたらす。^{[ 15 ] [ 21 ]}

脂質二重層によってチャネルの内縁と外縁に加えられる張力により、MscL の膜貫通ヘリックスが傾き（遷移中にM1 ヘリックスの傾きが 35～34^{度変化する）、MscL バレルが徐々に虹彩のように膨張して平坦化する。 [ 22 ]}その結果、M2 ヘリックスの膜貫通スパンが短縮され、ペリプラズム ループが膜内に引き込まれて孔の細胞外入口を覆い、孔径が約 3  nm となる。^{[ 22 ]}この虹彩のような遷移に伴い、孔は閉じた状態の疎水性収縮ではなく、主に M1 ヘリックスの極性面によって覆われるようになる。孔が水和されると、MscL バレルは S1-M1 リンカーにさらに力を及ぼし、S1 バンドルを引き離してチャネルを完全に開く。^{[ 2 ]}

以前は、Ec-MscS は複雑な適応挙動を示すが、Ec-MscL は示さないと考えられていた。最近の研究では、Ec-MscS と Ec-MscL の両方が、切り出した膜パッチで一定の圧力刺激の下で適応挙動を示すことができることが示された。しかし、両方の機械感受性チャネルは、全細胞記録では適応能力を失うため、以前知られていた Ec-MscS の適応挙動は、特定のチャネル構造ではなく、膜の応力緩和に関連していることが示唆される。^{[ 23 ]}この結果は、機械感受性チャネルにとってタンパク質と膜の相互作用が重要であることをさらに強調している。

• 脂質依存性イオンチャネル
• 小コンダクタンス機械感受性チャネル
• 機械感受性チャネル
• 機械感受性イオンチャネル
• イオンチャネル

• 農学修士（Pfam）
• ミシガン大学における膜タンパク質の配向protein/pdbid-2oar

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