ミトコンドリアプロトン輸送トランスヒドロゲナーゼの構造とメカニズム

プロトン輸送トランスヒドロゲナーゼ（ニコチンアミドヌクレオチドトランスヒドロゲナーゼ（NNT）としても知られる）は、細菌の原形質膜と真核生物の内部ミトコンドリア膜に含まれています。NNTは、NADHとNADP+の間の水素化物の移動を触媒し、膜を横切る1つのプロトンの転座に結合します。その主な生理学的機能はNADPHの生成であり、これは同化反応の基質であり、酸化状態の調節因子です。ただし、NNTはクレブスサイクル1,2を微調整することもできます。NNT欠乏は、ヒトの家族性糖質コルチコイド欠乏症を引き起こし、マウスの代謝異常は、II型糖尿病3,4で観察されたものと同様です。NNTの触媒メカニズムは、水素化物の伝達とプロトンチャネルゲーティングに交互に関与するNADP（H）結合ドメイン全体の約180°の回転を含むように提案されています。ただし、無傷のNNTの高解像度構造がないため、このプロセスの詳細は不明のままです5,6。ここでは、異なる立体構造状態における無傷の哺乳類NNTの極低電子顕微鏡構造を提示します。NADP（H）結合ドメインが膜の反対側にプロトンチャネルを開く方法を示し、これら2つの状態の構造を提供します。また、膜と可溶性ドメインの間の触媒的に重要な界面とリンカー、およびヌクレオチド交換におけるそれらの役割についても説明します。これらの構造により、以前の生化学的作業の大規模な本体と一致する、NNTの結合プロセスの改訂されたメカニズムを提案することができます。我々の結果は、現在利用できないNNT阻害剤の開発に関連しています。これは、虚血再灌流障害、メタボリックシンドローム、およびいくつかの癌の治療可能性を有する可能性があります7-9。

Proton-translocating transhydrogenase (also known as nicotinamide nucleotide transhydrogenase (NNT)) is found in the plasma membranes of bacteria and the inner mitochondrial membranes of eukaryotes. NNT catalyses the transfer of a hydride between NADH and NADP+, coupled to the translocation of one proton across the membrane. Its main physiological function is the generation of NADPH, which is a substrate in anabolic reactions and a regulator of oxidative status; however, NNT may also fine-tune the Krebs cycle1,2. NNT deficiency causes familial glucocorticoid deficiency in humans and metabolic abnormalities in mice, similar to those observed in type II diabetes3,4. The catalytic mechanism of NNT has been proposed to involve a rotation of around 180° of the entire NADP(H)-binding domain that alternately participates in hydride transfer and proton-channel gating. However, owing to the lack of high-resolution structures of intact NNT, the details of this process remain unclear5,6. Here we present the cryo-electron microscopy structure of intact mammalian NNT in different conformational states. We show how the NADP(H)-binding domain opens the proton channel to the opposite sides of the membrane, and we provide structures of these two states. We also describe the catalytically important interfaces and linkers between the membrane and the soluble domains and their roles in nucleotide exchange. These structures enable us to propose a revised mechanism for a coupling process in NNT that is consistent with a large body of previous biochemical work. Our results are relevant to the development of currently unavailable NNT inhibitors, which may have therapeutic potential in ischaemia reperfusion injury, metabolic syndrome and some cancers7-9.