GAT1 輸送体における Na+ イオンの相互作用：効率的な取り込みから基質および構造の安定化まで

Kernkonzepte

GAT1 輸送体は、GABA の再取り込みを Na+ および Cl- イオンの共輸送によって行う。Na+ イオンの結合は、GAT1 の構造と機能を安定化させ、GABA 取り込みを促進する。

Zusammenfassung

本研究では、分子動力学シミュレーションを用いて、GAT1 輸送体における Na+ イオンの結合と機能を明らかにした。

主な知見は以下の通り:

1. GAT1 の細胞外ベシクルの入り口に位置する負電荷アミノ酸残基(D281、E283)が、Na+ イオンを引き付ける「Na+ 取り込みサイト」を形成し、Na+ の結合を促進する。この取り込みサイトの変異により、Na+ 結合速度が低下し、Na+ 依存性GABA 取り込みが減少した。

2. Na1 サイトに結合したNa+ イオンは、GABA の結合を安定化する。一方、Na2 サイトに結合したNa+ イオンは、GAT1 の外向き開放型構造を安定化し、内側ゲートの閉鎖を促進する。

3. Na2 サイトへのNa+ 結合は、GAT1 の bundle ドメインと scaffold ドメインの相対的な運動を抑制し、TM5aの安定化を介して内側ゲートを閉鎖する。

4. GABA の結合は、Na1 サイトへのNa+ の結合を強化し、Na1 サイトの構造変化を誘導する。これにより、GABA とNa+ の協調的な結合が促進される。

以上より、Na+ イオンの効率的な取り込みと、Na1 および Na2 サイトへの結合が、GAT1 の構造と機能の安定化に重要な役割を果たすことが明らかになった。

Statistiken

GAT1 の D281A-E283A 変異体では、Na+ 依存性GABA 取り込みのEC50が野生型の1.7倍に増加した。
GAT1 の D281A-E283A 変異体では、GABA 取り込みのVmaxが野生型の4分の1に減少した。
GAT1 の D281A-E283A 変異体では、GABA 取り込みのKmが野生型の約半分に減少した。

Zitate

「Na+ 取り込みサイトは、Na+ イオンを引き付けることで局所的なNa+ 濃度を高め、Na+ 親和性を間接的に高める役割を果たす」
「Na2 サイトへのNa+ 結合は、GAT1 の bundle ドメインと scaffold ドメインの相対的な運動を抑制し、内側ゲートの安定化に寄与する」
「GABA の結合は、Na1 サイトへのNa+ の結合を強化し、Na1 サイトの構造変化を誘導する」

Wichtige Erkenntnisse aus

Interaction of GAT1 with sodium ions: from efficient recruitment to stabilisation of substrate and conformation

by Lazzarin,E.,... um www.biorxiv.org 10-13-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.10.10.561652v3

Tiefere Fragen

GAT1 以外のSLC6 トランスポーターでも、Na+ 取り込みサイトが同様の役割を果たしているか?

GAT1以外のSLC6トランスポーター、例えばセロトニントランスポーター（SERT）やドーパミントランスポーター（DAT）でも、Na+取り込みサイトは類似の役割を果たしています。これらのトランスポーターは、Na+イオンの結合によって構造的安定性を高め、基質の結合を促進するメカニズムを持っています。特に、Na+はトランスポーターの外向き開放状態を安定化させる役割を果たし、基質の結合を容易にします。例えば、SERTではNa+が結合することで、基質の結合部位がコンフォメーションを変化させ、基質の取り込みを促進します。このように、SLC6ファミリーのトランスポーターは、Na+の結合によって基質の取り込みを効率化する共通のメカニズムを持っていることが示されています。

GAT1 の内側ゲートの開閉は、どのようなメカニズムで GABA 輸送に関与しているのか?

GAT1の内側ゲートの開閉は、主にナトリウムイオン（Na+）の結合と基質であるGABAの結合によって制御されています。Na+がNA2結合部位に結合すると、GAT1は外向き開放状態を安定化させ、内側ゲートの構造的安定性を高めます。この安定化により、内側ゲートが閉じた状態を維持し、GABAがS1結合部位に結合する際の環境を整えます。GABAが結合すると、内側ゲートはさらに安定化され、トランスポーターは内向き開放状態に遷移します。このプロセスは、GABAの取り込みを促進し、神経伝達物質の再取り込みを効率化する重要なメカニズムです。したがって、内側ゲートの開閉は、GABAの輸送において重要な役割を果たしています。

GAT1 の Na+ 結合と GABA 結合の協調的な制御機構は、他の神経伝達物質トランスポーターでも共通しているのか?

GAT1のNa+結合とGABA結合の協調的な制御機構は、他の神経伝達物質トランスポーターでも共通していると考えられます。例えば、SERTやDATにおいても、Na+の結合が基質の結合を促進し、逆に基質の結合がNa+の結合を強化するという協調的な相互作用が観察されています。このような協調的なメカニズムは、トランスポーターの効率的な機能を確保し、神経伝達物質の取り込みを最適化するために重要です。特に、Na+が結合することでトランスポーターの構造が変化し、基質の結合部位がより適合する形に変わることが、他のSLC6ファミリーのトランスポーターでも確認されています。このように、GAT1のメカニズムは、他の神経伝達物質トランスポーターにおいても類似の機能を果たしていることが示唆されています。