ポリン（タンパク質）

ポリンは、細胞膜を貫通して分子が拡散できる孔として機能するベータバレルタンパク質です。^{[ 1 ]}他の膜輸送タンパク質とは異なり、ポリンは受動拡散を可能にするほど大きく、つまり、異なる種類の分子に特異的なチャネルとして機能します。ポリンは、グラム陰性細菌および一部のグラム陽性マイコバクテリア（ミコール酸含有放線菌）の外膜、ミトコンドリアの外膜、および葉緑体の外膜（色素体外膜）に存在します。

ポリンは、細胞質側でβターン（βターン）によって連結されたβストランド（βストランド）からなるβシート（βシート）と、反対側でアミノ酸の長いループから構成されています。βストランドは逆平行に配置され、 βバレル（βバレル）と呼ばれる円筒状のチューブを形成します。 ^{[ 2 ]}ポリンのβストランドのアミノ酸組成は、極性残基と非極性残基が交互に並んでいる点で独特です。これは、非極性残基が外側を向いて外膜の非極性脂質と相互作用するのに対し、極性残基はβバレルの中心に向かって内側を向いて水性チャネルを形成することを意味します。チャネル内の特定のアミノ酸が、ポリンのさまざまな分子に対する特異性を決定します。

ポリンを構成するβバレルは、8本から22本までのβストランドから構成されています。個々のストランドはループとターンで結合されています。^{[ 3 ]}ポリンの大部分はモノマーですが、ダイマーポリンやオクタマーポリンも発見されています。^{[ 4 ]}ポリンのサイズに応じて、タンパク質の内部は水で満たされている場合もあれば、最大2本のβストランドが内部に折り返されている場合、またはβストランドで構成された「ストッパー」セグメントが含まれている場合もあります。

すべてのポリンは外膜でホモ三量体を形成します。これは、3つの同一のポリンサブユニットが結合して、3つのチャネルを持つポリン超構造を形成することを意味します。 ^{[ 5 ]}ホモ三量体内の各モノマー間の水素結合と双極子-双極子相互作用により、それらが解離せず、外膜内で一緒にいることが保証されます。

ポリンタンパク質の構造を記述するために、いくつかのパラメータが使用されています。それらには、傾斜角（α）、せん断数（S）、ストランド数（n）、およびバレル半径（R）が含まれます。^{[ 6 ]}傾斜角は膜に対する角度を指します。せん断数（S）は、各βストランドに含まれるアミノ酸残基の数です。ストランド数（n）はポリン中のβストランドの数であり、バレル半径（R）はポリンの開口部の半径を指します。これらのパラメータは、次の式で関連付けられています。

${\displaystyle 2\pi R={\frac {nb}{2\cos(\alpha )}}}$

そして、

${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {Sa}{nb}}}$

これらの式を用いることで、利用可能なパラメーターのうちごく一部を知るだけで、ポリンの構造を決定することができる。多くのポリンの構造はX線結晶構造解析によって決定されているが、タンパク質の一次構造を配列決定する代替手法も用いることができる。

ポリンは、細菌や真核生物の膜に見られる水で満たされた孔やチャネルです。ポリンに似たチャネルは古細菌でも発見されています。^{[ 7 ]}なお、「ヌクレオポリン」という用語は、核膜の核孔を通る輸送を促進する無関係なタンパク質を指します。

ポリンは主に、さまざまなサイズと電荷を持つ親水性分子を膜を介して受動的に輸送する役割を担っています。^{[ 8 ]}生存のためには、特定の必須栄養素や基質を細胞内に輸送する必要があります。同様に、毒素や老廃物は、毒性物質の蓄積を避けるために細胞外に輸送されなければなりません。^{[ 9 ]}さらに、ポリンは、界面活性剤の細胞内への侵入を制限することで、透過性を調節し、溶解を防ぐことができます。^{[ 8 ]}

異なる物質を輸送するポリンには、一般ポリンと選択ポリンの2種類が存在する。一般ポリンは基質特異性を持たないが、一部は陰イオンまたは陽イオンに対してわずかな選択性を示す。^{[ 8 ]}選択ポリンは一般ポリンよりも小さく、化学種に対する特異性を持つ。これらの特異性は、ポリンの閾値サイズと、ポリンを構成するアミノ酸残基によって決定される。^{[ 5 ]}

グラム陰性細菌では、内膜が主要な透過性バリアです。^{[ 10 ]}外膜は、ポリンの存在により、親水性物質に対してより透過性があります。^{[ 5 ]}ポリンには、細菌の種類とポリンの種類に応じて、輸送可能な分子の閾値サイズがあります。一般的に、600ダルトン未満のサイズの物質のみが拡散できます。^{[ 8 ]}

ポリンはグラム陰性細菌で最初に発見されましたが、両方のタイプのポリンを持つグラム陽性細菌も発見されています。^{[ 9 ]}グラム陽性細菌は同様の輸送機能を示しますが、グラム陰性細菌に見られる分布と比較すると、ポリンの種類はより限られています。^{[ 9 ]}グラム陽性細菌は外膜を持たないため、これらのポリンチャネルは細胞壁内の特定の脂質に結合しています。^{[ 7 ]}

ポリンは真核生物にも存在し、特にミトコンドリアと葉緑体の外膜に存在する。^{[ 9 ] [ 10 ]}これらの細胞小器官には、構造的にも機能的にも細菌のポリンと類似した一般的なポリンが含まれている。これらの類似性は、真核生物の細胞小器官がグラム陰性細菌から生じたとする共生説を支持している。^{[ 10 ]}しかし、真核生物のポリンはグラム陽性ポリンと同様に限られた多様性しか示さず、代謝中の電圧依存的な役割もより大きくなっている。^{[ 9 ] [ 10 ]}

古細菌には、一般的なポリンから派生したイオンチャネルも存在する。^{[ 7 ]}これらのチャネルは細胞膜に存在し、溶質の輸送を促進する。細菌やミトコンドリアのポリンと同様の特性を持ち、生命の3つのドメインすべてにおいて生理学的重複があることを示している。^{[ 7 ]}

多くのポリンは宿主免疫細胞の標的となり、細菌分解につながるシグナル伝達経路を引き起こします。ワクチン接種や抗生物質などの治療法は、この免疫応答を補完するために使用されます。^{[ 5 ]}特定の抗生物質は、細胞プロセスを阻害するためにポリンを通過するように設計されています。^{[ 8 ]}

しかし、選択圧により、細菌はポリン遺伝子の変異によって耐性を獲得する可能性がある。 ^{[ 5 ]}これらの変異はポリンの喪失につながり、抗生物質の透過性が低下したり、輸送から完全に排除されたりする可能性がある。これらの変化は、抗生物質耐性の世界的な出現と感染症による死亡率の上昇に寄与している。^{[ 5 ]}

ポリンの発見は、「ポリン学者」の異名を持つ二階堂浩氏によるものとされている。^{[ 11 ]}

TCDBによると、ポリンには進化的に独立した5つのスーパーファミリーが存在する。ポリンスーパーファミリーIには、膜貫通βストランド（β-TMS）の数が異なる47のポリンファミリーが含まれる。これには、GBP、SP、RPPポリンファミリーが含まれる。PSF Iには47のファミリーが含まれるが、PSF II～Vにはそれぞれ2つのファミリーしか含まれない。PSF Iは主にグラム陰性細菌と1つの真核生物ミトコンドリアポリンファミリーからメンバーが派生しているが、PSF IIとVのポリンは放線菌から派生している。PSF IIIとVは真核生物オルガネラから派生している。^{[ 12 ] [ 13 ]}

• 電圧依存性アニオンチャネル
• アクアポリン