M2プロトンチャネル

マトリックス2 (M2) タンパク質は、プロトン選択性のビロポリンであり、インフルエンザA ウイルスのウイルスエンベロープに不可欠です。チャネル自体はホモテトラマー (4 つの同一の M2 ユニットで構成) で、ユニットは 2 つのジスルフィド結合によって安定化されたヘリックスであり、低 pH によって活性化されます。M2 タンパク質は、 M1 タンパク質とともに 7 番目の RNA セグメントにコード化されています。インフルエンザ A の M2 タンパク質によるプロトン伝導は、ウイルスの複製に不可欠です。

インフルエンザBウイルスとCウイルスは、それぞれ「BM2」と「CM2」と呼ばれる同様の機能を持つタンパク質をコードしています。全体的な構造とメカニズムは類似しているものの、配列レベルではM2とほとんど類似していません。^[1]

インフルエンザ_M2
固体NMR分光法によるM2タンパク質H+チャネルの閉状態構造
識別子
シンボル	インフルエンザ_M2
パム	PF00599
インタープロ	著作権
SCOP2	1mp6 / スコープ / SUPFAM
TCDB	1.A.19
OPMスーパーファミリー	185
OPMタンパク質	2kqt
利用可能なタンパク質構造: パム   構造 / ECOD   電子データ RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBサム 構造の概要

インフルエンザAウイルスでは、M2タンパク質ユニットは、97アミノ酸残基からなる3つのタンパク質セグメントで構成されています。(i)細胞外N末端ドメイン（残基1〜23）(ii)膜貫通セグメント（TMS）（残基24〜46）(iii)細胞内C末端ドメイン（残基47〜97）。TMSはイオンチャネルの細孔を形成します。重要な残基は、His37のイミダゾール（pHセンサー）とTrp41のインドール（ゲート）です。^[2]このドメインは、抗インフルエンザ薬であるアマンタジンとそのエチル誘導体リマンタジン、そしておそらくリマンタジンのメチル誘導体であるアダプロミンの標的です。M2細胞質尾部の最初の17残基は、高度に保存された両親媒性ヘリックスを形成します。^[3]

細胞質尾部にある両親媒性ヘリックス残基（46～62）は、ウイルスの出芽と組み立てに役割を果たしています。インフルエンザウイルスは、M2のこれらの両親媒性ヘリックスを利用して、コレステロール依存的にウイルスの出芽ネックの膜曲率を変更します。^[4]細胞質尾部の残基70～77は、M1への結合と感染性ウイルス粒子の効率的な生成に重要です。この領域には、カベオリン結合ドメイン（CBD）も含まれています。チャネルのC末端は、膜貫通ドメインをC末端両親媒性ヘリックスに接続するループ（残基47～50）に伸びています（46～62）。 M2の切断型については、2つの異なる高解像度構造が報告されている。1つはM2膜貫通領域の変異型の結晶構造（残基22〜46）であり、^{[5]もう1つは}核磁気共鳴（NMR）によって研究された膜貫通領域とC末端ドメインの一部を含むタンパク質のより長いバージョン（残基18〜60）である。^[6]

2 つの構造は、アダマンタン系の抗インフルエンザ薬の結合部位が異なることも示唆している。低 pH 結晶構造によると、アマンタジンの単一分子が、残基 Val27、Ala30、Ser31、および Gly34 に囲まれた細孔の中央に結合している。対照的に、NMR 構造は、4 つのリマンタジン分子が細孔の脂質に面した外表面に結合し、残基 Asp44 および Arg45 と相互作用することを示した。しかし、最近の固体 NMR 分光構造は、M2 チャネルにアマンタジンの結合部位が 2 つあり、1 つの高親和性部位は N 末端腔にあり、2 つ目の低親和性部位は C 末端タンパク質表面にあることを示している。^[7]

インフルエンザA型のM2イオンチャネルは、プロトンに対して非常に選択的です。このチャネルは低pHで活性化され、コンダクタンスは低くなります。^[8] 37番目のヒスチジン残基（His37）がこのプロトン選択性とpH調節を担っています。His37をグリシン、アラニン、グルタミン酸、セリン、またはトレオニンに置き換えると、プロトン選択活性が失われ、変異体はNa ⁺およびK ⁺イオンも輸送できるようになります。変異タンパク質を発現している細胞にイミダゾール緩衝液を加えると、イオン選択性が部分的に回復します。^[9]

Acharya らは、伝導機構には M2 の His37 イミダゾール部分と M2 束内部に閉じ込められた水との間のプロトン交換が関与していると示唆した。^[10]細孔内の水分子は、チャネル入口から His37 まで水素結合ネットワークまたは「水ワイヤー」を形成する。細孔の内側を覆うカルボニル基は、橋渡し水分子を含む第 2 殻相互作用を介してヒドロニウムイオンを安定化するのに適した位置にある。伝導サイクルで His37 が動的にプロトン化および脱プロトン化されるため、水素結合方向の集合的な切り替えがプロトン流の方向性に寄与する可能性がある。^[11] His37 残基は箱のような構造を形成し、その両側は整然とした酸素原子が近くにある水クラスターで囲まれている。タンパク質の立体配座は、以前に解明された高 pH と低 pH の構造の中間であり、立体配座の変化がプロトン勾配の存在下でチャネルを通る非対称拡散を促進するメカニズムを示唆している。さらに、チャネルを通って拡散するプロトンは、単一の His37 イミダゾールに局在する必要はなく、代わりに His ボックス全体と関連する水クラスター全体に非局在化される可能性があります。

M2 チャネルタンパク質は、高度に選択的で pH 調節されたプロトン伝導チャネルを形成する能力があるため、ウイルスエンベロープの必須コンポーネントです。M2 プロトンチャネルは、細胞侵入時にウイルスエンベロープ全体の pH を維持し、ウイルス成熟時に感染細胞のトランスゴルジ膜全体の pH を維持します。ウイルスが受容体を介したエンドサイトーシスによって宿主細胞に侵入すると、エンドソームの酸性化が起こります。この低 pH によって M2 チャネルが活性化され、プロトンがウイルス粒子コアに運ばれます。ウイルス内部の酸性化により静電相互作用が弱まり、M1 とウイルスのリボ核タンパク質 (RNP) 複合体が解離します。その後の膜融合により、コーティングされていない RNP が細胞質に放出され、核に取り込まれてウイルスの複製が開始されます。

感染した宿主細胞内で合成された後、M2は小胞体（ER）に挿入され、トランスゴルジネットワーク（TGN）を介して細胞表面に輸送されます。酸性TGN内で、M2はH ⁺イオンを内腔から輸送し、ヘマグルチニン（HA）の準安定構成を維持します。^{[12] TGNに局在すると、M2タンパク質のイオンチャネル活性は}NLRP3 インフラマソーム経路を効果的に活性化することが示されている。^[13]

M2 のその他の重要な機能は、インフルエンザの糸状菌株の形成、膜の切断、出芽ウイルス粒子の放出における役割です。M2 はウイルスの出芽部位を安定化させますが、M2 の変異により M1 への結合が妨げられ、出芽部位での糸状菌形成が阻害される可能性があります。

M2 チャネルによって触媒される一般的な輸送反応は次のとおりです。

H ⁺ (外) ⇌ H ⁺ (内)

抗インフルエンザウイルス薬であるアマンタジンは、M2 H ⁺チャネルの特異的阻害剤です。この薬は中央の孔に結合して閉塞します。^[14]アマンタジンが存在すると、ウイルスの脱殻と分解は不完全です。^[15] アマンタジンやリマンタジンなどのアダマンタン系薬剤に対する耐性を付与する変異は、膜貫通領域で発生し、広範囲に広がっています。耐性ウイルスの大部分はS 31 N変異を保有しています。^[16]循環型インフルエンザAウイルスのアダマンタン系薬剤に対する耐性は地域によって異なりますが、2000年代初頭以降、世界的に大幅に増加しています。^{[16] [17]}米国CDCは、現在、ほとんどの循環株が利用可能な2つの薬剤に耐性であるという情報を発表しており、2021年6月現在、それらの使用は推奨されていません。^[18]

インフルエンザBウイルスとCウイルスは、それぞれ「BM2」と「CM2」と呼ばれる、同様の陽子伝達機能を持つビリオンタンパク質をコードしています。全体的な構造とメカニズムは似ていますが、配列レベルではM2とほとんど類似していません。^{[1] [19]}

インフルエンザBのM2タンパク質は109残基長のホモ四量体であり、インフルエンザAタンパク質の機能的相同体である。インフルエンザAM2とBM2の間には、チャネル機能に必須のTMSのHXXXW配列モチーフを除いて、配列相同性はほとんどない。そのプロトン伝導pHプロファイルはAM2のものと類似している。しかし、BM2チャネルの活性はAM2よりも高く、BM2活性はアマンタジンおよびリマンタジンに対して全く鈍感である。^[1] 2020年に発表された1.4～1.5Åの解像度でのインフルエンザBチャネルの構造は、チャネル開口メカニズムがインフルエンザAチャネルとは異なることを明らかにした。^[20]

CM2はウイルス粒子のゲノムパッケージングに役割を果たしている可能性がある。^[21] CM2は細胞内pHを調整し、この能力においてインフルエンザA M2を置き換えることができる。^[22]

• H5N1の遺伝子構造

• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)にある M2+タンパク質、+インフルエンザ+A+ウイルス