キチン合成酵素の構造、触媒作用、キチン輸送、および選択的阻害

Nature Communications volume 14、記事番号: 4776 (2023) この記事を引用

1927 アクセス

13 オルトメトリック

メトリクスの詳細

キチンは最も豊富な天然生体高分子の 1 つであり、真菌の細胞壁や昆虫の外骨格などの細胞外マトリックスの重要な構造成分として機能します。 キチンは、β-(1,4) 結合 N-アセチルグルコサミンの線状ポリマーとして、キチンシンターゼによって合成され、抗真菌薬や抗昆虫薬の標的として認識されています。 この研究では、グリコシルドナー、アクセプター、生成物、またはペプチジルヌクレオシド阻害剤の非存在下および存在下で、出芽酵母キチンシンターゼの7つの異なる低温電子顕微鏡構造を決定しました。 機能解析と組み合わせると、これらの構造は、ドナー基質とアクセプター基質が活性部位でどのように結合するか、基質の加水分解がどのように自己プライミングを駆動するか、キチン伝導性膜貫通チャネルがどのように開くか、ペプチジルヌクレオシド阻害剤がどのようにキチンシンターゼを阻害するかを示します。 私たちの研究は、キチン合成酵素の機能と阻害を理解するための構造的基礎を提供します。

キチンはセルロースに次いで地球上で 2 番目に豊富な天然多糖類であり、毎年約 1,000 億トンのキチンが生物によって生産されています1。 キチンは真菌の細胞壁、甲殻類や昆虫の外骨格の主成分であり、これらの生物の繁殖、成長、発達に重要な役割を果たしています2。 キチンは、β-(1,4)-結合 N-アセチルグルコサミン (GlcNAc) の長鎖ポリマーであり、細胞膜内のキチンシンターゼによって合成されます 3,4。 キチンシンターゼは、UDP活性化GlcNAc（UDP-GlcNAc）を糖供与体として使用することによりキチン中のβ（1→4）グリコシド結合の形成を触媒し、その間に多糖生成物を膜を通して外に輸送します（図1a）。

Chs1によるキチンの合成と輸送スキーム。 b GlcNAcを含む（WT）またはGlcNAcを含まない（noGlcNAc）緩衝液中の精製Chs1を用いたインビトロUDP-Glo​​グリコシルトランスフェラーゼアッセイ。 WT 条件下でのアッセイは、EDTA、トリプシン、NikkoZ、または PolyB を使用して実行されました。 Chs1を含まない反応を対照として使用した。 データ点は、三重反復の平均±SDを表します。 ソース データはソース データ ファイルとして提供されます。 c GlcNAcを含む（WT）または含まない（GlcNAcなし）緩衝液中の精製Chs1を用いたインビトロキチン合成アッセイ。 WT 条件下でのアッセイも EDTA とトリプシンを使用して実行されました。 Chs1を含まない反応を対照として使用した。 データ点は、三重反復の平均±SDを表します。 ソース データはソース データ ファイルとして提供されます。 d apo Chs1二量体のクライオEMマップと原子モデル。 e Chs1 モノマーの漫画表現。 ポリペプチドは、N 末端から C 末端まで虹色で示されています。 推定上の活性部位はオレンジ色の円で強調表示されます。 推定上のキチン輸送チャネルは紫色の矢印で囲まれています。 f Chs1 モノマーの漫画トポロジー。 g Chs1 ドメイン マップ。 主要なドメインとモチーフがラベル付けされています。 目に見えない N 末端領域は白色です。

出芽酵母（Saccharomyces cerevisiae）では、キチンシンターゼは主に CHS1、CHS2、または CHS3 によってコードされます。 酵母では、3 つの遺伝子すべてを同時にノックアウトすると致死的になります5。 ScChs1 と ScChs2 は同じキチンシンターゼファミリーに属しており、ScChs36 とは異なる数の膜貫通ヘリックスを含んでいます。 ScChs1 と ScChs2 は一次中隔の合成を担当し、細胞質分裂における細胞分離に関与します。一方、ScChs3 は芽輪でのキチンの形成と細胞壁に分散したキチンの形成を担当します 5、7、8、9、10、11。 以前の研究では、Chs1 は主にチモーゲン型であり、タンパク質分解によって活性化できることが示されています 3,12,13。

キチンシンターゼは、GT-A フォールドを含む反転グリコシルトランスフェラーゼ 2 ファミリーに属しており、これにはヒアルロナンシンターゼやセルロースシンターゼも含まれます 14,15。 近年、ヒアルロナンおよびセルロースシンターゼの構造が報告されており、それらの作用機構についての構造的洞察が得られています16、17、18、19、20、21。 しかし、キチンシンターゼの構造は解明されていないため、キチンシンターゼの触媒機構やキチン輸送機構の機構的理解が妨げられています。