EFハンドカルシウム結合タンパク質の形態と機能を関連付けます

ヘリックスループヘリックス構造であるEFハンドは、動物ゲノムに見られる最も一般的なモチーフの1つであり、EFハンドCA（2+） - 結合タンパク質（EFCABP）は細胞全体に広く分布しています。しかし、研究者は、特定の機能のペプチド配列コードのコードと、EFCABPが多くの多様な細胞ターゲットを区別できるようにする分子メカニズムに関する不確実性の理解の欠如によって混乱したままです。そのような知識は、健康と病気におけるEFCABPの役割を定義し、最終的には医学およびバイオテクノロジーにおけるCA（2+）依存機能の制御または設計さえ可能になります。この説明では、EFCABPSのシーケンスと機能の関係を理解するために設計された構造的および生化学的研究について説明します。最初の構造目標は、結合Ca（2+）によって誘導される立体構造の変化を定義することであり、私たちのグループと他の人々は、ソリューションNMR分光法がこのタスクに適していることを確立しました。Calbindin D（9K）およびカルモジュリン（CAM）のCa（2+）応答の違いに重要な残基を特定し、サイト指向の変異誘発とタンパク質工学を伴う直接的な構造決定を使用して、さまざまな機能クラスの相同EFCABPSを特定しました。生化学と組み合わせた構造により、Ca（2+）イオンの結合における協同性の基本メカニズムを特定するための基礎が提供されました。この協同性は、Ca（2+）シグナルを構成する濃度の比較的小さな変化を検出する能力をEFCABPSに提供します。Calbindin D（9K）をモデルシステムとして使用すると、典型的なEFハンドドメインの4つのイオン結合状態のそれぞれの構造と高速時間スケールダイナミクスの研究により、サイトサイト通信が再編成の自由エネルギーコストが低下するという直接的な証拠が提供されました。2番目のイオンを結合するため。私たちの仕事は、EFCABPが細胞ターゲットとどのように相互作用するかについてのモデルも拡張しています。S100タンパク質のユニークな二量体アーキテクチャを決定しました。これは、脊椎動物のみで発見されたEFCABPSの特殊なサブファミリーです。これらのタンパク質がどのようにシグナルを伝達するかに対する意味を説明し、重要な細胞標的のペプチド断片との相互作用を特徴付けるために進みました。CAMホモログセントリンの研究により、Ca（2+）の結合とその細胞標的Kar1との相互作用の新規特徴が明らかになりました。これらの結果は、シーケンスの微妙な違いがEFCABPを微調整して特定のターゲットと相互作用する方法の明確な例を提供しました。構造的アプローチは重要な岐路に立っており、記述的構造生化学から統合された生物学と医学に重点を置いて変化します。CAMと固有のEFハンドドメインの両方が結合CA（2+）センサーとして機能する電圧依存性ナトリウムチャネルのゲーティング機能のCA（2+）調節のための二重分子スイッチモデルを提示します。2番目の例には、新規EFCABP細胞外機能、つまり細菌性病原体に対する自然免疫応答におけるS100A8/S100A9ヘテロダイマーの役割が含まれます。S100A8/S100A9の抗菌活性のメカニズムが発見されました。S100A8/S100A9およびS100Bとの相互作用と、進行性糖化最終産物のための細胞表面受容体について説明します。現在、生化学的および構造的研究は、EFCABPが機能し、生物学的活動を定義するのに役立つメカニズムを明らかにしていると同時に、通常の細胞生理学と疾患の病理におけるこれらのタンパク質の役割に関する知識を同時に拡大しています。

The EF hand, a helix-loop-helix structure, is one of the most common motifs found in animal genomes, and EF-hand Ca(2+)-binding proteins (EFCaBPs) are widely distributed throughout the cell. However, researchers remain confounded by a lack of understanding of how peptide sequences code for specific functions and by uncertainty about the molecular mechanisms that enable EFCaBPs to distinguish among many diverse cellular targets. Such knowledge could define the roles of EFCaBPs in health and disease and ultimately enable control or even design of Ca(2+)-dependent functions in medicine and biotechnology. In this Account, we describe our structural and biochemical research designed to understand the sequence-to-function relationship in EFCaBPs. The first structural goal was to define conformational changes induced by binding Ca(2+), and our group and others established that solution NMR spectroscopy is well suited for this task. We pinpointed residues critical to the differences in Ca(2+) response of calbindin D(9k) and calmodulin (CaM), homologous EFCaBPs from different functional classes, by using direct structure determination with site-directed mutagenesis and protein engineering. Structure combined with biochemistry provided the foundation for identifying the fundamental mechanism of cooperativity in the binding of Ca(2+) ions: this cooperativity provides EFCaBPs with the ability to detect the relatively small changes in concentration that constitute Ca(2+) signals. Using calbindin D(9k) as a model system, studies of the structure and fast time scale dynamics of each of the four ion binding states in a typical EF-hand domain provided direct evidence that site-site communication lowers the free energy cost of reorganization for binding the second ion. Our work has also extended models of how EFCaBPs interact with their cellular targets. We determined the unique dimeric architecture of S100 proteins, a specialized subfamily of EFCaBPs found exclusively in vertebrates. We described the implications for how these proteins transduce signals and went on to characterize interactions with peptide fragments of important cellular targets. Studies of the CaM homolog centrin revealed novel characteristics of its binding of Ca(2+) and its interaction with its cellular target Kar1. These results provided clear examples of how subtle differences in sequence fine-tune EFCaBPs to interact with their specific targets. The structural approach stands at a critical crossroad, shifting in emphasis from descriptive structural biochemistry to integrated biology and medicine. We present our dual-molecular-switch model for Ca(2+) regulation of gating functions of voltage-gated sodium channels in which both CaM and an intrinsic EF-hand domain serve as coupled Ca(2+) sensors. A second example involves novel EFCaBP extracellular function, that is, the role of S100A8/S100A9 heterodimer in the innate immune response to bacterial pathogens. A mechanism for the antimicrobial activity of S100A8/S100A9 was discovered. We describe interactions of S100A8/S100A9 and S100B with the cell surface receptor for advanced glycation end products. Biochemical and structural studies are now uncovering the mechanisms by which EFCaBPs work and are helping to define their biological activities, while simultaneously expanding knowledge of the roles of these proteins in normal cellular physiology and the pathology of disease.