基質の提示；基質（紫色の長方形）が脂質ドメイン（緑色の脂質）に隔離されている様子を示します。基質が無秩序領域（灰色の脂質）に転座すると、酵素（青色の楕円形）に提示され、そこで加水分解されます

分子生物学において、基質提示はタンパク質を活性化する生物学的プロセスである。タンパク質は基質から隔離され、その後、基質から遊離し、基質に曝露されることで活性化される。[1] [2]基質とは、典型的には酵素が作用する物質であるが、リガンドが結合するタンパク質表面の場合もある。酵素と相互作用する場合、タンパク質または有機基質の化学形態は通常変化する。基質提示は、酵素が触媒作用を開始するために構造を変える必要がない点で、アロステリック制御とは異なる。基質提示は、ナノスケールの距離（<100 nm）でのドメイン分割について最もよく説明される。 [3]

例

アミロイド前駆体タンパク質

アミロイド前駆体タンパク質（APP）は、 βセクレターゼとγセクレターゼによって切断され、アルツハイマー病に関連するアミロイドプラークの原因となる40～42アミノ酸のペプチドを生成します。セクレターゼ酵素は基質の提示によって制御されます。[4]基質APPはパルミトイル化され、アストロサイトのコレステロールに反応してGM1脂質ラフトに出入りします。アポリポタンパク質E（ApoE）によって運ばれたコレステロールは、APPをGM1脂質ラフトに結合させます。コレステロールが低い場合、タンパク質は不規則領域に移動し、αセクレターゼによって切断されて非アミロイド形成性産物を生成します。酵素はコレステロールに反応しないようで、基質のみが移動します

疎水性は分子の分配を促進する。細胞内では、これが細胞内および細胞膜内の区画化を引き起こす。脂質ラフトの場合、パルミトイル化はラフトを構成するタンパク質の大部分に対するラフト親和性を制御する。[5]ラフト制御はコレステロールシグナル伝達と空間生物学によって制御されている。

ホスホリパーゼD2

( PLD2 ) は、基質提示によって活性化される酵素の明確な例です。[6]酵素はパルミトイル化され、酵素を GM1 脂質ドメインまたは「脂質ラフト」に輸送します。ホスホリパーゼ Dの基質は、不飽和で脂質ラフトに少ないホスファチジルコリン(PC)です。PC は、多価不飽和脂質のホスファチジルイノシトール 4,5-ビスリン酸( PIP2 ) とともに、細胞の無秩序領域に局在します。PLD2 には PIP2結合ドメインがあります。膜中の PIP2 濃度が上昇すると、PLD2 はGM1 ドメインを離れ、PIP2 ドメインと結合して、基質 PC にアクセスし、基質提示に基づいて触媒を開始します。おそらく、酵素は脂質ラフトでの反応を触媒できますが、活性のための基質が不足しています。

酵素の転座；PLD（青い楕円形）はパルミトイル化によってコレステロール依存性脂質ドメイン（緑の脂質）に隔離される。PLDはまた、細胞膜上のGM1クラスターとは別に、ホスファチジルコリン（PC）付近に位置するPIP2（赤い六角形）ドメイン（灰色の網掛け部分）にも結合する。細胞内でPIP2が増加すると、PLDはPIP2へ転座し、そこでPCに曝露されてホスファチジン酸（赤い球状脂質）へと加水分解される。

炎症

（ADAM17 ）はTACEとも呼ばれ、その基質である膜結合型腫瘍壊死因子（mTNF）から離れて脂質ラフトに隔離されます。 [7]コレステロールは、脂質ラフト内でmTNFをADAM17とクラスター化させ、炎症性サイトカインである可溶性TNF（sTNF ） を放出します

キナーゼシグナル伝達

受容体チロシンキナーゼは、様々なポリペプチド成長因子、サイトカイン、ホルモンに結合する細胞表面受容体です。RTKの活性化は、脂質ラフト内のコレステロールによって促進されるパルミトイル化と二量体化によって促進されます。[8] [9]二量体化すると、受容体は自己リン酸化を受け、それがその後のリン酸化カスケードを引き起こします。これは、基質と酵素が同一分子である場合の特殊なケースです

プロテインキナーゼC（PKC）は、タンパク質をリン酸化させる酵素の一種です。PKCの基質は通常、膜表面上に存在し、酵素は脂質であるジアシルグリセロールによってリクルートされます。したがって、PKCの活性化の一部は、基質提示、すなわち膜上での基質の局在によって行われます。

SARS-CoV-2

（フーリン）（産生細胞、複製）。細胞にコレステロールが蓄積すると、フーリンはGM1脂質ラフトに移動し、そこでSARS-CoV-2のパルミトイル化されたスパイクタンパク質と局在し、ウイルスの侵入を準備します。[10]

SARS-CoV-2の受容体であるACE2（標的細胞、ウイルス侵入）は、 SARS-CoV-2をGM1脂質ラフトに輸送し、そこでエンドサイトーシスされ、カテプシンに曝露されて切断され、最適な細胞融合が行われます。[11] [12]コレステロール値が低い場合、 ACE2はウイルスをTMPRSS2に輸送します。TMPRSS2もウイルスを切断し、侵入を可能にしますが、その表面メカニズムははるかに効率が悪いと考えられています。ACE2のコレステロールに対する感受性は、小児におけるCOVID-19の症状の軽症化に寄与していると考えられています。

活性化のメカニズム

隔離

隔離とは、分子を脂質ラフトへ移動するプロセスです。細胞膜内では、隔離は主に飽和脂質とコレステロールのパッキング、または非常に短い距離（100 nm未満）での相分離によって促進されます。巨視的なレベルでは、細胞小器官や小胞が酵素と基質のアクセスを制限することがあります

隔離は、基質近傍のタンパク質の濃度を上昇させることも低下させることも可能です。基質が脂質ラフト内に存在する場合、隔離は基質近傍のタンパク質の濃度上昇をもたらします。逆に、基質が脂質ラフトから排除されている場合、隔離はPLD2で見られるように、タンパク質と基質間の相互作用を低下させます。

酵素の基質は移動することができます。移動は典型的には、パルミチン酸を介した局在または細胞小器官輸送の阻害によって生じます。パルミトイル化されPIP2に結合するタンパク質の場合、PIP2濃度の上昇は、酵素が脂質ラフトからPIP2へ輸送されることを促進します。PIP2は主に多価不飽和脂肪酸であるため、脂質ラフトから離れた場所に局在し、PIP2がパルミチン酸を介した局在に対抗することを可能にします。[13]

調節

コレステロール

コレステロールと多価不飽和脂肪酸（PUFA）は脂質ラフトの形成、つまりラフトの生物学的機能を調節します。膜内の飽和脂質とコレステロールが増加すると、脂質ラフトはパルミトイル化タンパク質に対する親和性を高めます。[14] PUFAは逆の効果を持ち、膜を流動化させます

PUFA

多価不飽和脂肪酸（PUFA）はシグナル伝達脂質の濃度を高める可能性もある。脳内で非常に一般的なPUFAであるアラキドン酸は、PCおよびPIP2に組み込まれる。[15]アラキドニルPCはPLDの好ましい基質であり、細胞内のPA量を増加させる可能性が高い。コレステロールによるラフト機能の制御は、基質提示と、基質提示を活性化機構として利用する多くのパルミトイル化タンパク質を効果的に制御する。推測の域を出ないが、コレステロールとPUFAがヒトの健康に及ぼす大きな影響は、細胞内の脂質ラフト機能の生理学的制御を介している可能性が高い。

生物学における役割

機械感覚

機械的力（せん断または膨潤）は、パルミチン酸の脂質ラフトへのパッキングとその結果生じる親和性を独立して破壊する可能性があります。この破壊はまた、PLD2がPIP2ドメインへの輸送を優先する原因となります。[16]機械感受性イオンチャネルTREK-1は、機械的力に反応してコレステロール依存性脂質ラフトから放出されます。これは痛みを和らげる効果があります。[17]

麻酔

膜依存性麻酔は基質提示を利用します。全身麻酔薬プロポフォールと吸入麻酔薬キセノン、クロロホルム、イソフルラン、ジエチルエーテルは、脂質ラフト機能とパルミチン酸を介したPLD2の脂質ラフトへの局在を阻害します。[18] [19] PLDの活性化はTREK-1チャネルを活性化します。膜依存性PLD2活性化は、麻酔薬非感受性ホモログTRAAKに伝達され、チャネルを麻酔薬感受性に変化させる可能性があります

参考文献

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