Ионные и липидные транспортеры специализируются для своей ниши

Для жизнеспособности клетки необходимо поддержание множества функций клеточной мембраны. P-тип АТФаз переносят субстраты через мембрану и эволюционировали в разные типы, обслуживающие специфические субстраты. Ключевые структурные особенности показывают, как два разных типа P-тип АТФаз — транспортирующая Ca²⁺ Ca²⁺-АТФаза и транспортирующая липиды P4-АТФаза — адаптировались к разным субстратам и физическим средам.

Многие бактерии экспортируют внутриклеточный кальций с помощью активных транспортеров, гомологичных хорошо описанным Ca²⁺-АТФазам млекопитающих, таким как Ca²⁺-АТФаза плазматической мембраны и Ca²⁺-АТФаза сарко/эндоплазматического ретикулума (PMCA и SERCA соответственно). Кристаллические структуры Ca²⁺-АТФазы 1 из Listeria monocytogenes (LMCA1) показывают, что LMCA1 предорганизована для дефосфорилирования после высвобождения Ca²⁺, что объясняет быстрое дефосфорилирование, ранее наблюдавшееся в исследованиях на одиночных молекулах.

Кроме того, различия в архитектуре сайтов связывания кальция объясняют, почему LMCA1 транспортирует один ион Ca²⁺, подобно PMCA, в отличие от двух ионов Ca²⁺ в SERCA. Структуры LMCA1 дают представление об эволюционном расхождении и консервативных чертах этого важного класса ионных транспортеров, что также информирует нас о центральных механизмах Ca²⁺-АТФаз млекопитающих и о том, как они могут регулироваться или нарушаться при патологических состояниях.

В исследовании P4-АТФазы ученые взяли другую перспективу. Транспортный цикл P-тип АТФазы состоит из двух полуреакций: фосфорилирования, при котором фосфат переносится с АТФ на транспортер, и дефосфорилирования, при котором фосфат высвобождается. В отличие от ионных транспортеров, таких как LMCA1, P4-АТФазы транспортируют липиды и известны как липидные флиппазы. Важно, что транспорт липида сопряжен с реакцией дефосфорилирования цикла, тогда как для ион-транспортирующих P-тип АТФаз он в основном сопряжен с реакцией фосфорилирования.

С помощью новых структур, определенных методом крио-электронной микроскопии (крио-ЭМ) для дрожжевой липидной флиппазы Drs2p/Cdc50p, исследовали, как липидные флиппазы разошлись с ионными транспортерами и адаптировали ферментативный механизм для «перевернутой» цели. Крио-ЭМ была критически важной методикой для этого исследования. Несколько структур транспортного цикла удалось определить, блокируя Drs2p/Cdc50p с помощью разных ингибиторов. Данные электронной микроскопии были собраны в инфраструктурном центре EMBION в Орхусском университете.

Оба исследования возглавляли аспирант Сара Бассе Хансен и постдок Милена Тимченко — под руководством профессора Поула Ниссена (а также, в случае Сары, доцента Магнуса Кьергарда). Работы публикуются в Journal of Molecular Biology.