ペニシリン結合タンパク質

ペニシリン結合タンパク質（PBP ）は、ペニシリンに対する親和性と結合能を特徴とするタンパク質のグループです。これらは多くの細菌の正常な構成要素であり、その名称は単にタンパク質が発見された方法を反映しているにすぎません。すべてのβ-ラクタム系抗生物質（グルタミン合成酵素を阻害するタプトキシン-β-ラクタムを除く）は、細菌の細胞壁合成に不可欠なPBPに結合します。PBPは、 DD-トランスペプチダーゼと呼ばれるトランスペプチダーゼ酵素のサブグループに属します。

PBPは多数存在し、通常は各生物に複数存在し、膜結合タンパク質と細胞質タンパク質の両方として見られます。たとえば、Spratt (1977) は、分子量が 40,000 から 91,000 の範囲にある6 種類の異なる PBP が、大腸菌のすべての株で日常的に検出されていると報告しています。 ^{[ 3 ]}異なる PBP は細胞あたり異なる数で存在し、ペニシリンに対する親和性も異なります。PBP は通常、高分子量 (HMW) と低分子量 (LMW) のカテゴリーに大別されます。^{[ 4 ]}高分子量 (HMM) PBP は細胞の生存に不可欠であり、2 つのクラスに分けられます。クラス A 酵素は、二糖ペプチドからのペプチドグリカンの重合 (グリコシルトランスフェラーゼ) とムラミルペプチドの架橋 (トランスペプチダーゼ) の両方を触媒します。一方、クラスB酵素はトランスペプチダーゼ活性（架橋のみ）を有します。低分子量（LMM）PBPは正常な細胞増殖には必須ではなく、ペプチドグリカン鎖の結合の強さを制御します。^{[ 5 ]} PBPから進化したタンパク質は多くの高等生物に存在し、哺乳類のLACTBタンパク質などが含まれます。^{[ 6 ]}

PBPはすべて、細菌の細胞壁の主要成分であるペプチドグリカンの合成の最終段階に関与しています。細菌の細胞壁合成は、細菌の成長、細胞分裂（したがって生殖）、および細胞構造の維持に不可欠です。 ^{[ 2 ]} PBPの阻害は、細胞壁構造の欠陥や細胞形状の不規則性、例えばフィラメント化、偽多細胞形態、スフェロプラスト形成につながる病変、そして最終的には細胞死と溶解を引き起こします。^{[ 7 ]}

PBPは、脂質中間体から架橋ペプチドグリカンを合成する過程に関与する多数の反応を触媒し、ペプチドグリカンの前駆体からD-アラニンを除去することを媒介することが示されている。精製された酵素は、 D-アラニンカルボキシペプチダーゼ、ペプチドグリカントランスペプチダーゼ、およびペプチドグリカンエンドペプチダーゼの反応を触媒することが示されている。研究されたすべての細菌において、酵素は上記の反応のうち複数を触媒することが示されている。^{[ 3 ]}この酵素は、ペニシリン非感受性トランスグリコシラーゼN末端ドメイン（線状グリカン鎖の形成に関与）とペニシリン感受性トランスペプチダーゼC末端ドメイン（ペプチドサブユニットの架橋に関与）を有し、活性部位のセリンはPBPファミリーのすべてのメンバーで保存されている。^{[ 4 ]}

低分子量PBPの中には、 MreB細胞骨格と結合し、細胞内での回転に追随して、細胞成長中にペプチドグリカンを特定の方向に挿入するものもある。^{[ 8 ]}一方、高分子量PBPはMreBとは独立しており、ペプチドグリカンの欠陥を検出して修復することで細胞壁の完全性を維持する。^{[ 9 ]}

PBPは、ペプチドグリカンを構成するモジュール部品と化学構造が似ているため、β-ラクタム系抗生物質に結合します。 ^{[ 10 ]}ペニシリンに結合すると、β-ラクタムアミド結合が切断され、PBPの活性部位にある触媒セリン残基と共有結合が形成されます。これは不可逆的な反応であり、酵素を不活性化します。

PBPは抗生物質と耐性に関与しているため、多くの研究が行われてきました。細菌の細胞壁合成と、その合成におけるPBPの役割は、代謝経路と酵素が細菌に特有のものであるため、選択毒性を持つ薬剤の非常に良い標的となります。^{[ 11 ]}抗生物質耐性は、PBPの過剰生産とペニシリンに対する親和性が低いPBPの形成（ラクタマーゼ産生などの他のメカニズムを含む）によって生じています。これらの実験では、タンパク質に異なるアミノ酸を追加することでPBPの構造を変化させ、薬剤がタンパク質とどのように相互作用するかについての新たな発見を可能にしています。PBPの研究は、新しい半合成β-ラクタムの発見につながりました。これは、元のペニシリン分子の側鎖を変更することで、PBPのペニシリンに対する親和性を高め、それによって耐性を獲得した細菌に対する有効性を高めたものです。

タンパク質ペニシリン結合タンパク質2A （PBP2A）の存在は、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）に見られる抗生物質耐性の原因である。^{[ 12 ]}

β-ラクタム環は、すべてのβ-ラクタム系抗生物質に共通する構造である。^{[ 13 ]}

ペニシリン結合タンパク質3は細菌の細胞壁合成に重要であり、β-ラクタム系抗生物質の主要な標的である。これは、C末端トランスペプチダーゼと伸長したN末端ドメインを含む2ドメインタンパク質である。このタンパク質は、N末端に向かってαヘリックスサブドメインまたは「ヘッド」ドメインを含むため、他のクラスB PBPと類似している。N末端ドメインの機能はまだ不明であるが、細胞壁生合成に関与する多酵素複合体の一部として、トランスペプチダーゼドメインを内膜から離れた位置に配置する役割を果たすと考えられている。^{[ 5 ]}

ペニシリン結合タンパク質3の活性部位とβ-ラクタム（カルベニシリン）

活性部位は、トランスペプチダーゼドメインの下部を横切って3ストランドと平行に走る長い溝に位置しています。カルベニシリンがペニシリン結合タンパク質3に結合すると、アシル酵素複合体が形成されます。これは、β-ラクタムがPBP3に化学的に結合することを意味します。β-ラクタムはS294に共有結合し、酵素を不活性化します。また、PBP3のN末端はより柔軟ですが、酵素の活性部位を含むC末端部分は非常に安定しており、ほとんど変化しません。カルベニシリンが活性部位に結合すると、構造変化を伴って酵素の熱安定性が高まります。カルベニシリンの最初のカルボキシル基は、S485、T487、およびN351と水素結合相互作用を形成します。これらの水素結合相互作用は、カルベニシリンとPBP3間の結合を安定化するのに役立ちます。^{[ 5 ]}

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  ペニシリンコア。^{[ 14 ]}
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  PBP3が阻害されると、一部の細菌ではフィラメント形成（電子顕微鏡写真の右上）が起こる。^{[ 7 ]}

パスタドメイン