Отток Ca2+, которому способствует со

Биология связи, том 6, Номер статьи: 573 (2023) Цитировать эту статью

251 Доступ

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Са2+ является важным сигнальным мессенджером. Известно, что у микроорганизмов, грибов и растений антипортеры H+/Ca2+ (САХ) играют ключевую роль в гомеостазе внутриклеточного Ca2+, катализируя его отток через клеточную мембрану. Здесь мы обнаружили, что бактериальный гомолог CAX YfkE транспортирует Ca2+ в двух различных режимах: режим обмена H+/Ca2+ с низким потоком и режим с высоким потоком, при котором ионы Ca2+ и фосфата совместно транспортируются (1:1) в обмен на Н+. Соединение с фосфатом значительно ускоряет активность YfkE по оттоку Ca2+. Наши исследования показывают, что Ca2+ и фосфат связываются с соседними сайтами центрального пути транслокации, и приводят к механистическому пониманию, объясняющему, как этот CAX изменяет свои консервативные мотивы альфа-повторов, чтобы принять фосфат в качестве специфического «транспортного шаперона» для транслокации Ca2+. Это открытие раскрывает механизм совместного транспорта внутри семейства CAX, который указывает на то, что этот класс белков способствует клеточному гомеостазу как Ca2+, так и фосфата.

Ионы кальция являются одними из наиболее распространенных ионов металлов в природе и имеют решающее значение для многих важных функций в клетках, где Ca2+ служит универсальным посредником1,2. Сигналы Ca2+ обычно инициируются притоком Ca2+ в цитоплазму через селективные мембранные каналы и дополнительно усиливаются оттоком Ca2+ из внутриклеточных органелл, таких как эндоплазматический ретикулум. Однако устойчиво высокие уровни цитозольного Ca2+ смертельны. Антипортеры катионов кальция (CaCA) играют ключевую роль в восстановлении гомеостаза Ca2+. Это семейство мембранных переносчиков, которое включает антипортеры H+/Ca2+ (CAX) и обменники Na+/Ca2+ (NCX), изолирует и активно экспортирует Ca2+ из цитозоля, что обеспечивается притоком H+ или Na+ вниз по трансмембранным электрохимическим градиентам3,4.

CAX повсеместно распространены в бактериях, грибах и растениях3. Например, три гомолога CAX, известные как CAX1-3, были идентифицированы у арабидопсиса и более двадцати других у яблонь3,5. В растительных клетках белки CAX присутствуют как в плазматических, так и в тонопластных мембранах и способствуют перемещению цитозольного Ca2+ либо из клетки, либо обратно в кислые вакуоли в ответ на различные стимулы, включая холод, засоленность и изменения pH почвы5,6, 7,8. Гомологи CAX также широко распространены в микроорганизмах, хотя их физиологическая роль требует дальнейшего изучения. Ca2+ участвует в широком спектре бактериальных процессов, включая хемотаксис, деление клеток и споруляцию;9 передача сигналов Ca2+ также участвует в бактериальной инфекции и взаимодействиях хозяин-патоген10. Белки CAX, вероятно, будут играть центральную роль в этих процессах, поскольку они, по-видимому, являются основными системами оттока Ca2+ у бактерий. Следовательно, выяснение механизма транспорта CAX поможет понять, как эти организмы поддерживают баланс Ca2+ в ответ на возмущения и передачу сигналов Ca2+.

Структурно все белки CAX, по-видимому, имеют общую базовую архитектуру, состоящую из одиннадцати трансмембранных (ТМ) спиралей. Два консервативных мотива последовательности, называемые α-повторами, обнаружены в спиралях TM2-3 и TM7-8 и, по-видимому, обеспечивают сайты для узнавания H+ и Ca2+. Рентгеновские структуры недавно начали раскрывать молекулярную основу механизма этого класса антипортеров, а именно YfkE из Bacillus subtilis, VCX1 из Saccharomyces cerevisiae и CAX_Af из Archaeoglobus fulgidus11,12,13. Эти структуры предполагают механизм, при котором спирали TM2-3 и TM7-8 принимают различные расположения, которые поочередно открывают сайты узнавания для H+ и Ca2+ по обе стороны мембраны. Однако эти три структуры захватывают сходное состояние в механизме попеременного доступа, а именно состояние, открытое внутрь (т.е. по отношению к цитозолю), в котором два консервативных остатка глутамата, важные для обменной активности H+/Ca2+, расположены рядом в центральном ионе. -связывающий сайт. Эти два карбоксилатных остатка координируют один ион Ca2+ в структуре VCX111. Не сразу стало ясно, захватывают ли структуры YfkE и CAX_Af нелигандированное состояние или состояние, связанное с H+, хотя два карбоксилатных остатка (E72 и E255 в YfkE) принимают разные конформации по сравнению с Ca2+-связанным состоянием VCX1. Недавно наши исследования YfkE также обнаружили, что его механизм альтернативного доступа аллостерически регулируется путем связывания Ca2+ с внутриклеточным мини-сенсором Ca2+12.