Aquifex aeolicusから単離されたヘムA合成酵素が三量体であることを明らかにした

Isolated Heme A Synthase from Aquifex aeolicus Is a Trimer.

• Hui Zeng
• Guoliang Zhu
• Shuangbo Zhang
• Xinmei Li
• Janosch Martin
• Nina Morgner
• Fei Sun
• Guohong Peng
• Hao Xie
• Hartmut Michel

抄録

膜タンパク質ヘムA合成酵素（HAS）は、幅広い好気性生物の細胞呼吸の必須条件であるヘムAの生合成を触媒する。これまでの研究で、HASはホモオリゴマー複合体を形成することが明らかになっており、このオリゴマー化は原核生物と真核生物の間で進化的に保存されているようであり、真核生物のHASの生物学的機能に不可欠であることが示されています。その重要性にもかかわらず、HASオリゴマーの詳細な構造特性についてはほとんど知られていない。本研究では、サイズ排除クロマトグラフィーと多角光散乱（SEC-MALS）、架橋、レーザー誘起液体ビーズイオン脱離質量分析（LILBID-MS）、一粒子電子顕微鏡（クライオEM）などの手法を組み合わせて、HASのオリゴマー状態を解析することで、この重要な課題に取り組むことを目的としました。その結果、HASは熱安定性のある三量体を形成していることがわかった。低温電子顕微鏡密度マップは、AaHAS三量体のオリゴマー化界面に関する情報を提供している。これらの結果は、HASの多量体化についての構造的な洞察を与え、この重要な酵素についての知識を広げるものである。ヘムAは、ミトコンドリアや多くの微生物に存在する末端チトクロム酸化酵素に特有の重要な酸化還元補酵素である。ヘムAは電子キャリアーとして、また酸素結合部位として、酸素還元に重要な役割を果たしています。ヘムAはヘムOからヘムA合成酵素（HAS）という膜タンパク質によって合成されます。HAS の欠損は細胞呼吸を阻害し、致死的な乳児肥大型心筋症やリー症候群などの様々なヒト疾患と関連しています。HASは安定なオリゴマー複合体として存在しており、真核生物のHASのオリゴマー化がその適切な機能に必要であることが研究により示されている。しかし、HASのオリゴマー複合体の分子構造はこれまで明らかにされていませんでした。本研究では、HASが三量体を形成していることを明らかにし、そのオリゴマー配列が複合体の安定性と柔軟性にどのように寄与しているかを明らかにし、HASが触媒機能を効果的に発揮することを可能にしました。本研究は、今後のヘムA合成研究の基礎を提供するものである。

The integral membrane protein heme A synthase (HAS) catalyzes the biosynthesis of heme A, which is a prerequisite for cellular respiration in a wide range of aerobic organisms. Previous studies have revealed that HAS can form homo-oligomeric complexes, and this oligomerization appears to be evolutionarily conserved among prokaryotes and eukaryotes and is shown to be essential for the biological function of eukaryotic HAS. Despite its importance, little is known about the detailed structural properties of HAS oligomers. Here, we aimed to address this critical issue by analyzing the oligomeric state of HAS from (AaHAS) using a combination of techniques, including size exclusion chromatography coupled with multiangle light scattering (SEC-MALS), cross-linking, laser-induced liquid bead ion desorption mass spectrometry (LILBID-MS), and single-particle electron cryomicroscopy (cryo-EM). Our results show that HAS forms a thermostable trimeric complex. A cryo-EM density map provides information on the oligomerization interface of the AaHAS trimer. These results provide structural insights into HAS multimerization and expand our knowledge of this important enzyme. Heme A is a vital redox cofactor unique for the terminal cytochrome oxidase in mitochondria and many microorganisms. It plays a key role in oxygen reduction by serving as an electron carrier and as the oxygen-binding site. Heme A is synthesized from heme O by an integral membrane protein, heme A synthase (HAS). Defects in HAS impair cellular respiration and have been linked to various human diseases, e.g., fatal infantile hypertrophic cardiomyopathy and Leigh syndrome. HAS exists as a stable oligomeric complex, and studies have shown that oligomerization of eukaryotic HAS is necessary for its proper function. However, the molecular architecture of the HAS oligomeric complex has remained uncharacterized. The present study shows that HAS forms trimers and reveals how the oligomeric arrangement contributes to the complex stability and flexibility, enabling HAS to perform its catalytic function effectively. This work provides the basic understanding for future studies on heme A biosynthesis.

Copyright © 2020 Zeng et al.