膜貫通ドメイン

膜貫通ドメイン（ TMD ）は膜貫通タンパク質ドメインである。TMDは1つまたは複数のαヘリックス、または膜貫通βバレルから構成される。脂質二重層の内部は疎水性であるため、TMDのアミノ酸残基は疎水性であることが多いが、膜ポンプやイオンチャネルなどのタンパク質には極性残基が含まれることがある。TMDはサイズと疎水性が大きく異なり、細胞小器官特有の特性を持つことがある。^[1]

膜貫通ドメインはさまざまな機能を果たすことが知られています。これには以下が含まれます。

• 膜貫通タンパク質を膜に固定する。

  

• 生体膜を介したイオンやタンパク質などの分子の分子輸送を促進します。通常、TMD 内の親水性残基と結合部位がこの過程を助けます。
• 膜を介したシグナル伝達。Gタンパク質共役受容体などの多くの膜貫通タンパク質は細胞外シグナルを受け取ります。その後、TMD はそれらのシグナルを膜を介して伝播させ、細胞内効果を引き起こします。
• 小胞融合を助ける。TMDの機能は十分に解明されていないが、TMDが脂質二重層の張力に影響を与えることにより、融合反応に重要であることが示唆されている。^[2]
• 膜貫通タンパク質の輸送と選別を仲介する。TMDは細胞質選別シグナルと連携して機能することが示されており、長さと疎水性がTDM選別の主な決定要因となっている。より長く疎水性が高いTMDはタンパク質を細胞膜に選別するのを助け、より短く疎水性が低いTMDはタンパク質を小胞体とゴルジ体内に保持するために使用される。このプロセスの正確なメカニズムはまだ不明である。^[3]

膜貫通ヘリックス (膜タンパク質の構造) は、X 線回折法で決定されます。また、疎水性スケールに基づいて予測することもできます。二重層の内部と、構造がわかっているほとんどのタンパク質の内部は疎水性であるため、膜を貫通するアミノ酸も疎水性であることが必須条件であると考えられます。ただし、膜ポンプとイオン チャネルには、一般に非極性の膜貫通セグメント内に多数の荷電および極性残基も含まれています。

「疎水性分析」を使用して膜貫通ヘリックスを予測すると、タンパク質の「膜貫通トポロジー」を予測できます。つまり、タンパク質のどの部分が細胞内に突出し、どの部分が細胞外に突出し、タンパク質鎖が何回膜を横切るかを予測できます。

膜貫通ヘリックスは、バイオインフォマティクスツールTMHMMを使用してコンピューター内で同定することもできる。 ^[4]

タンパク質の翻訳は細胞質（水性環境）で行われるため、TMDを認識し、この過酷な環境でTMDを保護する因子が必要です。TMDを標的膜（小胞体または他の細胞小器官）に組み込むための追加の因子も必要です。^[5]因子は膜内でTMDのミスフォールディングを検出し、品質管理機能を果たします。これらの因子は、非常に多様なTMDセットを認識でき、細胞質で活性なものと膜で活性なものに分離できる必要があります。^[5]

細胞質認識因子は、2つの異なる戦略を使用すると考えられています。^[5]共翻訳戦略では、認識と遮蔽はタンパク質合成と連動しています。ゲノムワイド関連研究によると、小胞体を標的とする膜タンパク質の大部分は、リボソーム出口トンネルに結合し、タンパク質が翻訳されるときに認識と遮蔽を開始するシグナル認識粒子によって処理されます。2番目の戦略は、膜タンパク質のカルボキシル末端近くに位置する単一のTMDによって定義される、尾部アンカータンパク質に関係します。翻訳が完了すると、尾部アンカーTMDはリボソーム出口トンネルに残り、ATPaseが小胞体への標的化を仲介します。シャトル因子の例には、高等真核生物のTRC40や酵母のGet3などがあります。さらに、一般的なTMD結合因子は、凝集やその他の破壊的な相互作用から保護します。SGTAとカルモジュリンは、よく知られている2つの一般的なTMD結合因子です。膜タンパク質の品質管理には、ユビキチン化 プロテアソームシステム にリンクされた TMD 結合因子が関与します。

輸送されると、因子はリン脂質膜の親水性層リン酸「ヘッド」グループを介した TMD の挿入を補助します。 ^[5]品質管理因子は、機能とトポロジーを識別できるだけでなく、細胞質への抽出も促進する必要があります。シグナル認識粒子は膜タンパク質を Sec転座チャネルに輸送し、リボソーム出口トンネルをトランスロコン中央孔の近くに配置して、TMD の細胞質への露出を最小限に抑えます。挿入酵素も、脂質二重層への TMD 挿入を仲介できます。挿入酵素には、細菌の YidC、ミトコンドリアの Oxa1、葉緑体の Alb3 などがあり、これらはすべて進化的に関連しています。保存されたHrd1およびDerlin酵素ファミリーは、膜結合型品質管理因子の例です。

• テトラスパニンには 4 つの保存された膜貫通ドメインがあります。
• うどんこ病菌の遺伝子座o（mlo）タンパク質は、αヘリックスをコードする7つの保存された膜貫通ドメインを持っています。^[6]