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옥살산염 내 옥살산염 운반체 OxlT의 구조와 메커니즘

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옥살산염 내 옥살산염 운반체 OxlT의 구조와 메커니즘

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Nature Communications 14권, 기사 번호: 1730(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

장내 미생물총에 있는 옥살산염 분해 박테리아는 음식에서 유래된 옥살산염을 흡수하여 이를 탄소 및 에너지원으로 사용함으로써 숙주 동물의 신장 결석 형성 위험을 줄입니다. 박테리아 옥살산염 운반체 OxlT는 다른 영양소 카르복실산염과 엄격하게 구별하여 장에서 박테리아 세포로 옥살산염을 선택적으로 흡수합니다. 여기에서는 옥살산염 결합 및 리간드가 없는 OxlT의 결정 구조를 폐쇄된 상태와 바깥쪽을 향한 상태의 두 가지 별개의 형태로 제시합니다. 리간드 결합 포켓에는 옥살산염과 염교를 형성하는 동시에 산성 기질 없이 폐쇄된 상태로 구조가 전환되는 것을 방지하는 염기성 잔기가 포함되어 있습니다. 폐쇄된 주머니는 옥살산염을 수용할 수 있지만 대사 중간체와 같은 더 큰 디카르복실산염은 수용할 수 없습니다. 포켓으로부터의 투과 경로는 광범위한 도메인 간 상호작용에 의해 완전히 차단되며, 이는 기판에 인접한 단일 측쇄를 뒤집어서만 열 수 있습니다. 이 연구는 유리한 공생을 가능하게 하는 대사 상호작용의 기본 구조적 기초를 보여줍니다.

옥살산염은 야채, 콩, 견과류2와 같은 옥살산염 함유 식품1을 통해 우리가 매일 식단을 통해 섭취하는 가장 작은 디카르복실산염(C2O42–)입니다. 옥살산염은 또한 우리 몸의 최종 대사 산물이며 부분적으로 전신 순환을 통해 장으로 분비됩니다1. 그런 다음 장에서 흡수되어 신장을 통해 배설됩니다3. 그러나 과도한 옥살산염은 혈중 칼슘과 불용성 염을 형성하여 신장 결석 질환을 유발합니다(그림 1a). 옥살로박터 포르미게네스(Oxalobacter formigenes)는 장내 옥살산염 분해 박테리아로4 장내 옥살산염을 대사적으로 분해하여 인간을 포함한 숙주 동물의 옥살산염 항상성에 크게 기여합니다3,5,6. 실제로, 낭포성 섬유증7 또는 염증성 장 질환8 환자 또는 공장 우회 수술9을 받은 환자는 O. formigenes 집락화 비율이 낮고 고옥살산뇨증 및 신장 결석 형성 위험이 증가하는 것으로 알려져 있습니다.

장내 옥살산염 분해 박테리아인 O. formigenes의 OxlT 기능에 대한 도식적 그림. b, c 옥살레이트 결합(PDB ID 8HPK; b) 및 리간드가 없는(PDB ID 8HPJ; c) OxlT의 결정 구조. d 옥살산염 결합 및 리간드 없는 OxlT의 중첩. 주변세포질(위)의 모습과 막관통 평면(아래)의 두 가지 모습이 표시됩니다. e, f 옥살레이트 결합(e) 및 리간드가 없는(f) OxlT의 표면 정전기 전위 맵. ±5 kTe−1의 정전기 전위가 표면에 매핑되었습니다.

O. formigenes의 OFA(oxalate:formate antiporter)10인 OxlT(Oxalate Transporter)는 이 박테리아에서 옥살산염 대사를 위한 핵심 분자입니다. OxlT는 C2 디카르복실산염인 옥살산염에 최적화된 기질 특이성을 갖는 전기화학적 구배에 따라 세포막을 가로지르는 카르복실산염의 역항을 촉매합니다. 실제로 운송업자는 옥살산염 자체 교환에 대해 높은 회전율(>1000/s)을 보여줍니다. 옥살산염 독립영양생물 O. formigenes의 생리학적 조건에서 OxlT의 카르복실산염 교환 기능은 박테리아의 유일한 탄소원으로서 숙주 장에서 옥살산염을 흡수하고 옥살산염의 최종 분해 산물인 포름산염(HCO2-)을 방출할 수 있게 합니다. 이는 박테리아 세포에 축적되면 독성이 있습니다11,12,13(그림 1a). 옥살산염:포름산염 교환의 OxIT 촉매 회전율은 세포질에서 양성자를 소비하는 탈탄산효소를 통해 옥살산염이 포름산염으로 대사 분해되어 결과적으로 박테리아 세포막을 가로질러 양성자 전기화학적 구배를 생성하는 것을 동반합니다. 따라서 OxlT는 박테리아 ATP 합성을 위한 양성자 원동력을 생성하는 '가상 양성자 펌프' 역할을 합니다. 따라서 각 화학물질의 유니포터가 아닌 옥살산염과 포름산염 사이의 안티포터로서의 OxlT의 기능적 특성은 탄소 대사와 에너지 형성을 결합하는 데 필수적입니다. 특히, OxlT는 크렙스 주기 디카르복실산염 중간체인 옥살로아세트산(C4H2O52-) 또는 숙신산염(C4H4O42-)을 기질로 받아들이지 않습니다. 4개의 탄소 원자를 가진 이러한 디카르복실산염(C4 디카르복실산염)은 박테리아의 세포질 측에서 중요한 대사 중간체인 동시에 숙주 루멘 측에서 장 수송체를 통해 에너지원 및 생합성 전구체로 흡수됩니다. 따라서 C2와 C4 디카르복실산염을 구별하는 OxlT의 능력은 숙주 동물과 장내 세균 사이의 유리한 공생을 위해 중요합니다.

~4 Å). Positional shifts of the surrounding aromatic residues, such as Tyr35, Tyr150, Trp324 and Tyr328, were also observed (Fig. 3b). These changes at the substrate-binding site due to the absence of oxalate likely underlie the structural rearrangement of the overall architecture and result in the conformational change between the occluded and outward-facing state. Notably, the cavity opening to the periplasm displayed an extensive positively charged surface (Figs. 1f and 3c). This basic property is mainly derived from Arg272 and Lys355 in the binding site. In addition, the side-chain amino groups in Lys45 and Arg248 and the amide groups in Gln34, Asn42, Gln56, Asn264, Asn265 and Asn268, that line this cavity, are now exposed to the solvent. These groups and the positive dipole moments of the bent helices of TM1, TM5 and TM11 also contribute to the basic property of the entire cavity (Fig. 3c). The charge repulsion caused by Arg272 and Lys355 at the empty ligand-binding site as well as the extensive basic surface of the cavity likely prevents closure of the pocket to the occluded form in the absence of oxalate, thus stabilising an open state. The stability of an open state conformation in the absence of a substrate, which prevents transition to the occluded state, underlies the OxlT function as an antiporter, in which the conformational switch in the absence of a substrate during the catalytic process is disallowed22,38. A similar situation was observed on a nitrate/nitrite antiporter NarK29, where the positively charged surface of the open cavity stabilised the inward-facing conformation26./p>