細菌H-NOXタンパク質によるガスセンシング。MD研究

Gas Sensing by Bacterial H-NOX Proteins: An MD Study.

• Ahmed M Rozza
• Dóra K Menyhárd
• Julianna Oláh

抄録

ガスセンシングは原核生物と真核生物の両方にとって重要であり、主にH-NOXドメインを含むヘムベースのセンサーによって行われている。これらのシステムは、高等生物における気体分子の輸送に新たな代替手段を提供する可能性があるが、そのようなシステムを開発するためには、リガンド結合特性の詳細な理解が必要である。ここでは、タンパク質マトリックス内でのリガンドの移動に着目し、細菌（Ka, Ns, Cs）のH-NOXタンパク質の分子動力学シミュレーションを行い、CO, NO, Oの拡散の速度論を研究した。リガンド、拡散速度定数、トンネルシステム、ストレージポケットの存在に対するタンパク質構造の応答を比較した。その結果、拡散速度定数は全てのタンパク質においてO > NO > COの順に減少し、単一ガスを考慮するとNs > Ks > Csの順に減少することがわかった。気体間の競合は、リガンドが遠位ポケットに滞在する時間に深刻な影響を与えているように思われる。チャネルシステムは、全体的な折り目によって深く決定されるが、側鎖パターンは、嵩高い基間の疎水性相互作用、カチオン-π相互作用、または水素結合三叉路によって特定のチャネルをブロックするのに重要な役割を持っている。ストレージポケットの大部分は、遠位および近位ポケットのような特定の機能的な空洞がすべてのシステムで見られるが、局所的な側鎖の組成によって決定される。ガス輸送システムの設計のための主要なガイドラインは、ガス分子をタンパク質に化学的に結合させる必要があり、場合によっては、いくつかのヘム基を有する複数のタンパク質を一緒に結合させる必要がある。

Gas sensing is crucial for both prokaryotes and eukaryotes and is primarily performed by heme-based sensors, including H-NOX domains. These systems may provide a new, alternative mode for transporting gaseous molecules in higher organisms, but for the development of such systems, a detailed understanding of the ligand-binding properties is required. Here, we focused on ligand migration within the protein matrix: we performed molecular dynamics simulations on three bacterial (Ka, Ns and Cs) H-NOX proteins and studied the kinetics of CO, NO and O diffusion. We compared the response of the protein structure to the presence of ligands, diffusion rate constants, tunnel systems and storage pockets. We found that the rate constant for diffusion decreases in the O > NO > CO order in all proteins, and in the Ns > Ks > Cs order if single-gas is considered. Competition between gases seems to seriously influence the residential time of ligands spent in the distal pocket. The channel system is profoundly determined by the overall fold, but the sidechain pattern has a significant role in blocking certain channels by hydrophobic interactions between bulky groups, cation-π interactions or hydrogen bonding triads. The majority of storage pockets are determined by local sidechain composition, although certain functional cavities, such as the distal and proximal pockets are found in all systems. A major guideline for the design of gas transport systems is the need to chemically bind the gas molecule to the protein, possibly joining several proteins with several heme groups together.