StARkinドメインからのステロール排出を支える水とステロールの交換

Exchange of water for sterol underlies sterol egress from a StARkin domain.

• George Khelashvili
• Neha Chauhan
• Kalpana Pandey
• David Eliezer
• Anant K Menon

抄録

これまでに私たちは、ステロール結合性StARkinドメインを持つ小胞体膜タンパク質の一族であるLam/GramD1タンパク質を同定してきました。ここでは、これらのタンパク質がどのようにステロール分子を膜と交換しているのかを示している。StARkinドメインの一端に開口部があり、ステロールが結合ポケットに出入りできるようになっている。驚くべきことに、ポケットの壁は縦方向に破断しており、結合したステロールが溶媒にさらされている。大規模な原子論的分子動力学シミュレーションを行った結果、ステロールの脱出には、破断部の拡大、空洞内への水の浸透、そしてその結果として結合したステロールの不安定化が関与していることが明らかになりました。このシミュレーションでは、亀裂に沿って、ステロールの放出に重要な極性残基が同定された。これらの残基をアラニンで置換すると、StARkinドメインがステロールを結合する能力に影響を与え、小胞体間のステロール交換を触媒し、酵母細胞のニスタチン感受性を緩和することがわかった。これらのデータは、StARkinドメインからのステロール排出の水制御機構を示唆しています。

Previously we identified Lam/GramD1 proteins, a family of endoplasmic reticulum membrane proteins with sterol-binding StARkin domains that are implicated in intracellular sterol homeostasis. Here, we show how these proteins exchange sterol molecules with membranes. An aperture at one end of the StARkin domain enables sterol to enter/exit the binding pocket. Strikingly, the wall of the pocket is longitudinally fractured, exposing bound sterol to solvent. Large-scale atomistic molecular dynamics simulations reveal that sterol egress involves widening of the fracture, penetration of water into the cavity, and consequent destabilization of the bound sterol. The simulations identify polar residues along the fracture that are important for sterol release. Their replacement with alanine affects the ability of the StARkin domain to bind sterol, catalyze inter-vesicular sterol exchange and alleviate the nystatin-sensitivity of yeast cells. These data suggest an unprecedented, water-controlled mechanism of sterol discharge from a StARkin domain.

© 2019, Khelashvili et al.