Efflusso di Ca2+ facilitato dal co

Biologia delle comunicazioni volume 6, numero articolo: 573 (2023) Citare questo articolo

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Il Ca2+ è un importante messaggero di segnalazione. Nei microrganismi, nei funghi e nelle piante, è noto che gli antiportatori H+/Ca2+ (CAX) svolgono un ruolo chiave nell'omeostasi del Ca2+ intracellulare catalizzando il suo efflusso attraverso la membrana cellulare. Qui, riveliamo che l’omologo batterico CAX YfkE trasporta Ca2+ in due modalità distinte: una modalità di scambio H+/Ca2+ a basso flusso e una modalità ad alto flusso in cui Ca2+ e ioni fosfato vengono co-trasportati (1:1) in cambio di H+. L'accoppiamento con il fosfato accelera notevolmente l'attività di efflusso di Ca2+ di YfkE. I nostri studi rivelano che Ca2+ e fosfato si legano a siti adiacenti in una via di traslocazione centrale e portano a intuizioni meccanicistiche che spiegano come questo CAX altera i suoi motivi di ripetizione alfa conservati per adottare il fosfato come specifico "chaperon di trasporto" per la traslocazione di Ca2+. Questa scoperta svela un meccanismo di co-trasporto all'interno della famiglia CAX che indica che questa classe di proteine ​​contribuisce all'omeostasi cellulare sia del Ca2+ che del fosfato.

Gli ioni calcio sono tra gli ioni metallici più abbondanti in natura e sono cruciali per molte funzioni importanti nelle cellule, dove il Ca2+ funge da versatile messaggero1,2. I segnali del Ca2+ vengono tipicamente avviati dall'afflusso di Ca2+ nel citoplasma attraverso canali selettivi di membrana e vengono ulteriormente aumentati dall'efflusso di Ca2+ dagli organelli intracellulari come il reticolo endoplasmatico. Livelli elevati e sostenuti di Ca2+ citosolico sono tuttavia letali. Gli antiportatori di calcio-cationi (CaCA) sono fondamentali per ripristinare l’omeostasi del Ca2+. Questa famiglia di trasportatori di membrana, che comprende antiportatori H+/Ca2+ (CAX) e scambiatori Na+/Ca2+ (NCX), sequestrano ed esportano attivamente Ca2+ fuori dal citosol, alimentati dall'afflusso di H+ o Na+ lungo i gradienti elettrochimici transmembrana3,4.

I CAX sono onnipresenti nei batteri, nei funghi e nelle piante3. Ad esempio, tre omologhi CAX, noti come CAX1-3, sono stati identificati nell'Arabidopsis e più di venti altri nei meli3,5. Nelle cellule vegetali le proteine ​​CAX sono presenti sia nelle membrane plasmatiche che in quelle tonoplastiche e facilitano il movimento del Ca2+ citosolico fuori dalla cellula o indietro nei vacuoli acidi, in risposta a vari stimoli tra cui freddo, salinità e variazioni del pH del suolo5,6, 7,8. Gli omologhi CAX sono onnipresenti anche nei microrganismi, sebbene i loro ruoli fisiologici richiedano ulteriori indagini. Il Ca2+ è coinvolto in un'ampia gamma di processi batterici tra cui chemiotassi, divisione cellulare e sporulazione;9 La segnalazione del Ca2+ è stata implicata anche nelle infezioni batteriche e nelle interazioni ospite-patogeno10. È probabile che le proteine ​​CAX svolgano un ruolo centrale in questi processi, poiché sembrano essere i principali sistemi di efflusso di Ca2+ nei batteri. Pertanto, chiarire il meccanismo di trasporto di CAX aiuterà a capire come questi organismi mantengono l'equilibrio del Ca2+ in risposta alle perturbazioni e alla segnalazione del Ca2+.

Strutturalmente, tutte le proteine ​​CAX sembrano condividere un'architettura di base comune, costituita da undici eliche transmembrana (TM). Due motivi di sequenza conservati, detti ripetizioni α, si trovano nelle eliche TM2-3 e TM7-8 e sembrano fornire siti per il riconoscimento di H+ e Ca2+. Le strutture a raggi X hanno recentemente iniziato a rivelare le basi molecolari del meccanismo di questa classe di antiportatori, vale a dire quelli di YfkE di Bacillus subtilis, VCX1 di Saccharomyces cerevisiae e CAX_Af di Archaeoglobus fulgidus11,12,13. Queste strutture suggeriscono un meccanismo in cui le eliche TM2-3 e TM7-8 adottano disposizioni distinte che espongono alternativamente siti di riconoscimento per H+ e Ca2+ su entrambi i lati della membrana. Queste tre strutture tuttavia catturano uno stato simile nel meccanismo di accesso alternato, vale a dire uno stato aperto verso l'interno (cioè al citosol), in cui due residui conservati di glutammato importanti per l'attività di scambio H+/Ca2+ sono adiacenti situati in uno ione centrale -sito di legame. Questi due residui carbossilato coordinano uno ione Ca2+ nella struttura VCX111. Se le strutture di YfkE e CAX_Af catturino uno stato non legante o uno legato a H+ non era immediatamente evidente, sebbene i due residui carbossilato (E72 ed E255 in YfkE) adottino conformazioni diverse rispetto allo stato legato a Ca2+ di VCX1. Recentemente, i nostri studi su YfkE hanno anche scoperto che il suo meccanismo di accesso alternato è regolato allostericamente dal legame del Ca2+ a un mini-sensore intracellulare di Ca2+12.