Кіріспе

Магний тасымалдаушылар – жасуша мембранасы арқылы магнийді тасымалдайтын ақуыздар. Барлық тіршілік нысандарына магний қажет, бірақ Mg2+ қоршаған ортадан сіңірілуінің молекулалық механизмдері және ағза ішінде осы өте маңызды элементтің таралуы әлі толыққанды анықталған жоқ. MgtA-ның АТФ функциясы кардиолипинге өте тәуелді және μM диапазонындағы бос магнийді анықтай алады. Бактерияларда Mg2+ негізінен CorA ақуызы арқылы, ал CorA ақуызы болмаған жағдайда MgtE ақуызы арқылы қамтамасыз етіледі. Ашытқыда бастапқы сіңіру Alr1p және Alr2p ақуыздары арқылы жүзеге асады, бірақ осы сатыда ішкі Mg2+ таратушы жалғыз ақуыз – Mrs2p болып табылады. Протозоаларда бір ғана Mg2+ тасымалдаушысы (XntAp) анықталды. Метазоаларда Mrs2p және MgtE гомологтары, сондай-ақ екі жаңа Mg2+ тасымалдау жүйесі – TRPM6/TRPM7 және PCLN1 анықталды. Соңында, өсімдіктерде Mrs2p гомологтарының тобы және тағы бір жаңа ақуыз – AtMHX анықталды.

Эволюция

Mg2+ тасымалдау эволюциясы өте күрделі болған сияқты. MgtE-ге ұқсас ақуыздар бактериялар мен метазоаларда кездеседі, бірақ саңырауқұлақтар мен өсімдіктерде жоқ, ал CorA-ға байланысты ақуыздар осы топтардың барлығында табылған. Бактериялардағы екі белсенді тасымалдаушы – MgtA және MgtB, жоғары сатыдағы организмдерде гомологияға ие емес көрінеді. Сонымен қатар, жоғары сатыдағы организмдерде ғана кездесетін Mg2+ тасымалдау жүйелері де бар.

Түрлері

Көптеген Mg2+ тасымалдайтын ақуыздар әлі анықталмаған. Тіпті ең жақсы зерттелген эукариоттардың бірі – ашытқыда, Боррелли байланысты ақуызсыз Mg2+/H+ алмастырғышын тапқан, ол, мүмкін, Гольги аппаратына орналасқан. Ашытқыдағы тағы бір маңызды Mg2+ тасымалдаушы әлі де белгісіз – ол ашытқы вакуоліне Mg2+ тасымалдау және одан шығару процесін қамтамасыз етеді. Жоғары, көпжасушалы организмдерде көптеген Mg2+ тасымалдайтын ақуыздардың табылуы күтілуде. CorA доменін қамтитын Mg2+ тасымалдаушылар (CorA, Alr-like және Mrs2-like) еківалентті катиондарға ұқсас, бірақ толықтай бірдей емес бейімділік спектрін көрсетеді. Шындығында, бұл байқауды қазірге дейін анықталған барлық Mg2+ тасымалдаушыларға қатысты айтуға болады. Бұл ұқсастық Mg2+ негізгі қасиеттері тану және тасымалдау механизмдеріне күшті әсер ететінін көрсетеді. Дегенмен, бұл байқау басқа металл иондарын Mg2+ сіңіруді бақылау үшін маркер ретінде пайдалану міндетті түрде тасымалдаушының Mg2+ тасымалдау қабілетімен салыстырмалы нәтижелер бермейтінін де көрсетеді. Оңтайлы жағдайда Mg2+ тікелей өлшенуі керек. 28Mg2+ практикалық тұрғыдан қол жетімсіз болғандықтан, әртүрлі тасымалдаушыларды тікелей салыстыру қажет болса, Mg2+ тасымалын өлшеу үшін жаңа құралдармен көптеген ескі деректерді қайта қарау қажет. Колзек пен Фрошауэрдің mag fura 2 қолданып жасаған алғашқы жұмыстары кейбір жүйелерде еркін Mg2+ in vivo сенімді түрде өлшенуі мүмкін екенін көрсетті. Осы жаңа құралмен CorA талдауын қайта бастау арқылы, жаңа Mg2+ тасымалдау жүйелерін талдау үшін маңызды базалық деңгейге қол жеткіздік. Алайда, тасымалдау қабілетін салыстыру үшін мембранадағы тасымалдаушы мөлшерін дәл анықтау маңызды. Бұл бактериялық жүйе эукариоттық Mg2+ тасымалдау ақуыздарын талдау үшін де пайдалы болуы мүмкін, бірақ кез келген тәжірибеде прокариоттар мен эукариоттардың биологиялық жүйелеріндегі айырмашылықтарды ескеру қажет.

Функция

Қазіргі уақытта сипатталған Mg2+ тасымалдау ақуыздарының функцияларын салыстыруға жақын мүмкіндік жоқ, тіпті осы ақуыздар әртүрлі биологиялық жүйелерде, әртүрлі әдістемелер мен технологиялар қолданылып зерттелгенімен. Барлық ақуызды тікелей салыстыруға болатын жүйе табу маңызды жетістік болар еді. Егер ақуыздар бактерияларда (S. typhimurium) функционалды екені дәлелденсе, онда mag fura 2 техникасының, қаптама мембранасындағы ақуыз мөлшерін анықтаудың және ақуыздардың құрылымын (Х-сәулелік кристаллография немесе крио TEM) пайдалану арқылы Mg2+ ионын тану және тасымалдауға қатысқан негізгі механизмдерді анықтауға болады. Дегенмен, ең үлкен жетістік – жасанды мембраналарды қолдана отырып, патч-кламп жүйесінде ақуыздың жұмысын өлшеуге мүмкіндік беретін әдістерді жасау болар еді.

Алғашқы зерттеулер

1968 жылы Ласк бактериялардың (Escherichia coli) Mg2+ жеткіліксіз ортада өсуінің шектеулерін сипаттады, бұл бактерияларға Mg2+ қажет екенін және олардың осы ионды қоршаған ортадан белсенді түрде сіңіретінін көрсетеді. Келесі жылы сол топ және Silver есімді тағы бір топ, 28Mg2+ пайдаланып, метаболизмдік белсенді E. coli жасушаларында Mg2+ сіңіру және шығару процестерін тәуелсіз түрде сипаттады. 1971 жылдың соңына дейін Co2+, Ni2+ және Mn2+ иондарының E. coli, Aerobacter aerogenes және Bacillus megaterium бактерияларында Mg2+ тасымалына тигізетін әсерін сипаттайтын екі мақала жарияланды. Транспортерлерді кодтайтын гендерді клондауға дейінгі соңғы маңызды жаңалықта, бірінші жүйеге ұқсас туыстық және тасымалдау кинетикасын көрсететін, бірақ басқаша интерференциялық катиондарға сезімтал екінші Mg2+ сіңіру жүйесі табылды. Бұл жүйе де Mg2+ иондарының жоғары сыртқы концентрациясымен тежелді.

ҚОРА

CorA гені және оған сәйкес келетін белок кез келген организмдегі Mg2+ тасымалдау жүйесі ең толық зерттелген. CorA гені туралы жарияланған әдебиеттердің көп бөлігі М. Э. Магуайрдің зертханасынан шыққан. Жақында R. J. Schweyen тобы CorA арқылы Mg2+ тасымалын түсінуге маңызды үлес қосты. Ген бастапқыда E. coli бактериясындағы кобальтқа төзімді фенотиптің құрметіне аталған, ол геннің инактивациясынан туындаған. 17 грам-теріс бактерияда CorA генінің бар екені анықталды. Прокариоттардың геномдық тізбектерінің көп саны қазірде қолжетімді болғандықтан, CorA-ның Эубактериялардың арасында кең таралғаны, сондай-ақ Археялардың арасында да кеңінен таралғаны көрсетілді. E. coli бактериясындағы CorA локусы 948 нуклеотидтен тұратын бір ашық оқу фреймін қамтиды, ол 316 аминқышқылынан тұратын белокты шығарады. Бұл белок эубактериялар мен археялар арасында жақсы сақталған. E. coli және S. typhimurium арасындағы белоктардың 98% бірдей, бірақ туысқандық байланысы алыс түрлерде ұқсастық 15-20% аралығында құрайды. Дегенмен, соңғы деректер белоктың белсенділігін PhoPQ екі компонентті реттеу жүйесі реттеуі мүмкін екенін көрсетеді. Бұл сенсор адамдардағы S. typhimurium инфекциясы кезінде сыртқы Mg2+ концентрациясының төмендеуіне жауап береді. Сыртқы Mg2+ концентрациясы төмен болғанда, PhoPQ жүйесі CorA функциясын тежейтіндігі хабарланды және бұрын осы жағдайларда Mg2+ тасымалдаушылары MgtA және MgtB транскрипциясының белсендірілгені көрсетілді. Сурет (масштабта емес) S. typhimurium CorA белгісінің бастапқыда жарияланған трансмембраналық (TM) доменді топологиясын көрсетеді, ол белоктың C-терминалды бөлігінде (көк түспен көрсетілген) үш мембраналық аймақтан тұрады, Смит және авторлар анықтағандай. Warren және авторлар CorA-ның гомотетрамер ретінде әрекет ететінін дәлелдеді, 2004 ж. 2005 жылдың желтоқсан айында CorA каналының кристалдық құрылымы RSCB белок құрылымы деректер базасына жарияланды. Нәтижелер белоктың екі TM домені бар екенін және бұрынғы есептерге қайшы, гомопентамер ретінде бар екенін көрсетті. Құрылымды 3D форматында көру үшін осы сілтемеге өтіңіз. Белоктың ерігіш жасушаішілік бөліктері жоғары зарядталған, 31 оң зарядталған және 53 теріс зарядталған қалдықтарды қамтиды. Керісінше, TM домендерінде тек бір зарядталған аминқышқылы бар, ол тасымалдаушының белсенділігі үшін маңызды емес екені көрсетілді. Мутагенез эксперименттерінен Mg2+ тасымалының химиясы тасымалдау тесігінің ішкі жағын астарлаған гидроксилдік топтарға байланысты екені көрінеді; сондай-ақ, GMN мотивінің (қызыл түспен көрсетілген) міндетті болуы да қажет. CorA белсенділігін in vivo зерттеуге дейін бактериялық жазырушыдағы басқа Mg2+ тасымалдау жүйелерін анықтау және оларды инактивациялау немесе жою қажет болды (төменде қараңыз). Функционалды CorA генін қамтитын, бірақ MgtA және MgtB жоқ S. typhimurium штаммы құрылды (сондай-ақ төменде қараңыз), және тасымалдаушының сіңіру кинетикасы талданды. Бұл штамм стандартты ортада (50 мкМ Mg2+) қалыпты өсу жылдамдығын көрсетті, бірақ барлық үш геннің жойылуы қалыпты өсу үшін 100 мкМ сыртқы Mg2+ қажет болатын бактериялық штаммды жасады. Mg2+ үшін (кестеге қараңыз) төменгі аффинитеті (Km) және жылдамдығы (Vmax) бар. Co2+ және Ni2+ үшін Km мәндері жасушалардың қалыпты ортасында кездесетінінен айтарлықтай жоғары, сондықтан CorA тасымалдау жүйесі табиғи жағдайларда осы иондардың сіңірілуіне ықпал ететіні күмәнді. Кобальт (III) гексааммин, Co(III)Hex, бірнеше дивалентті катиондар үшін, соның ішінде Mg2+ үшін гидратацияның бірінші қабығының ковалентті байланысты (лабильді емес) аналогы болып табылады. Co(III)Hex молекуласының радиусы 244 пм, бұл Mg2+ бірінші гидратациялық қабығының 250 пм радиусына өте ұқсас. Бұл аналог CorA тасымалдау жүйесінің күшті тежегіші, Mg2+, Co2+ немесе Ni2+ -ге қарағанда күшті. Co(III)Hex тежегішінің қосымша күші белоктың субстратты «сусыздату» қабілетсіздігіне байланысты тасымалдау тесігін бұғаттаудан туындауы мүмкін. Сонымен қатар, Co(III)Hex жасушаларға тасымалданбайтыны көрсетілді. Гендер, сондай-ақ, Mg2+ концентрациясы 50 мкМ-ден төмен түскенде in vitro жоғары реттеледі (Snavely және авторлар, 1991a). Белоктардың CorA-ға ұқсас Km мәндері және тасымалдау жылдамдығы шамамен 10 есе аз болса да, гендер Mg2+ іздеу жүйесінің бөлігі болуы мүмкін. Chamnongpol және Groisman (2002) осы белоктардың рөлі PhoPQ регулоны CorA белок белсенділігін тежейтінін дәлелдеді. және ешбір геннің CorA-ға ұқсастығы жоқ. MgtA және MgtB белоктары 75% ұқсас (50% бірдей), бірақ MgtB Salmonella Pathogenicity Island 3 бөлігі ретінде көлденең гендік трансфер арқылы алынған болуы мүмкін. MgtB белгісінің TM топологиясы эксперименталды түрде анықталды, нәтижесінде белокта цитоплазмада орналасқан терминалдармен он TM спиральдары бар екені анықталды (суретті қараңыз). MgtA кең түрлі бактерияларда кездеседі, бірақ CorA сияқты кең таралған емес, ал MgtB өте шектеулі таралуға ие болып көрінеді. Бұл ерекше таралуға қатысты гипотезалар ұсынылмады. Сурет, Смит және авторлар (1993b) еңбегінен алынған, S. typhimurium-дағы MgtB белгісінің эксперименталды түрде анықталған мембраналық топологиясын көрсетеді. TM домендері ақ көк түспен көрсетілген, мембранадағы бағдар және N және C терминалдарының орналасуы көрсетілген. Сурет масштабта емес. MgtA және MgtB белоктары өте ұқсас болғамен, олар белсенділікте кейбір шағын айырмашылықтарды көрсетеді. MgtB температураға өте сезімтал, Mg2+ тасымалына қатысты барлық белсенділікті 20°C температурада жояды. Бұл белоктардың физиологиялық функциясын анықтау үшін қосымша эксперименттер қажет.

МГТЭ

Екі мақалада MgtE, бактериялардағы MgtA/B немесе CorA-ға байланысы жоқ төртінші Mg2+ сіңіру ақуызы сипатталған. Сурет (оң жақта), Smith және авторлардың еңбегінен алынған (1995). Мембранадағы бағыты және N және C ұштарының орналасуы көрсетілген. Бұл сурет масштабқа сәйкес келтірілмеген. Бұл тасымалдағыштың құрылымы рентгендік кристаллография арқылы анықталды. MgtE гені алғаш рет Smith және авторлар (1995) бактериялардағы CorA-ға ұқсас ақуыздарды іздеу кезінде анықталды және Mg2+ сіңіруі жетіспейтін S. typhimurium MM281 штаммын (corA mgtA mgtB) толықтырады, стандартты ортада жабайы типтің өсуін қалпына келтіреді. Зерттеу металл катиондарын сіңіруге көбірек назар аударды, көрсеткендей, ашытқы келесі байланыс қатары бойынша катиондарды сіңіреді: Mg2+, Co2+, Zn2+ > Mn2+ > Ni2+ > Ca2+ > Sr2+. Сонымен қатар, әртүрлі катиондардың тасымалы бір тасымалдау жүйесі арқылы жүзеге асырылады деп болжалды – бұл бактериялардағы жағдайға өте ұқсас. 1998 жылы MacDiarmid және Gardner Saccharomyces cerevisiae-де байқалған катиондық тасымалдау фенотипіне жауапты ақуызды анықтады. Мутагенез зерттеулерінің нәтижесінде бұл ақуыздардың ТМ топологиясы CorA-ға ұқсас болды (суретті қараңыз). Сондай-ақ, Alr1p TM 2 (TM 2') сыртқы жағындағы сақталған GMN мотивін қамтиды және бұл мотивтегі метиониннің (M) лейцинге (L) мутациясы тасымалдау қабілетінің жоғалуына әкелді. Alr1p-ның клетка ішіне еніп, клеткадан тыс катиондарға жауап ретінде вакуольде ыдырайтыны байқалды. Өте төмен клеткадан тыс концентрациядағы Mg2+ (100 мкМ; стандартты ортадағы Mg2+ құрамының < 10%) және салыстырмалы түрде жоғары концентрациядағы Co2+ және Mn2+ (> 20x стандартты орта) Alr1p ақуызының орналасуын өзгертіп, бұл әсер функционалдық убиквитинацияға, эндоцитозға және вакуольдық деградацияға байланысты болды. Салих және авторлар, дайындық кезеңінде. Alr1p арқылы Mg2+ сіңіру кинетикасы тұтас ашытқы жасушаларында электрофизиологиялық әдістермен зерттелді, бұл ашытқының ішінде бірнеше жүйелер Mg2+ сақтау бөлімшелеріне тасымалдайтынын көрсетеді. Бұл ішкі тасымалдау сіңіру процесін жасыруы мүмкін. S. typhimurium-де Mg2+ сіңіру гендері жоқ ALR1 экспрессиясы балама болуы мүмкін, бірақ бұрын айтылғандай, гетерологтық экспрессия жүйесінің әсерін ескеру қажет.

МНР2

MNR2 гені Alr ақуыздарына өте жақын протеинды кодтайды, бірақ оның құрамында сақталған ерекшеліктері бар, олар саңырауқұлақ геномдарындағы CorA ақуыздарының ерекше кіші тобын анықтайды, бұл Mg2+ гомеостазында ерекше рөл атқаратынын көрсетеді. Alr1 мутанты сияқты, mnr2 мутантының өсуі Mg2+ жетіспейтін жағдайларға сезімтал болды, бірақ mnr2 мутанты осы жағдайларда жабайы типті штаммға қарағанда көбірек Mg2+ жинақтағаны байқалды. Бұл фенотиптер Mnr2 жасуша ішіндегі бөлікшеде Mg2+ сақталуын реттеуі мүмкін екенін ұсынды. Осы түсінікке сәйкес, Mnr2 протеині вакуоль мембранасына орналасқан, бұл ашытқыда артық минералдық заттарды сақтауға қатысатын ішкі бөлік. Mnr2-нің Mg2+ тасымалындағы тікелей рөлі Mnr2 экспрессиясының жоғарылауымен, Mnr2 протеинінің бір бөлігін жасуша бетіне қайта бағыттауымен, сондай-ақ alr1 alr2 екі мутантты штаммның Mg2+ қажеттілігін басуымен көрсетілді. Mnr2 мутациясы басқа дивалентті катиондардың жиналуын да өзгертті, бұл мутация Alr гендерінің экспрессиясын немесе протеин активтілігін арттыруы мүмкін екенін көрсетеді. Жақындағы жұмыстар және оны Wiesenberger және әріптестері (1992) клондап, тізбектелген. Mrs2p Mg2+ тасымалдаушысы ретінде Bui et al. (1999) анықталған, ал Haynes et al. (2002) генді клондағанға дейін Mrs2p Mg2+ тасымалын тікелей жүзеге асыратыны көрсетілген. Сонымен қатар SLC24 (K+ тәуелді Na+/Ca2+ айырбастаушы) адам ерітіндісін тасымалдаушы ақуыздары. XntAp аминқышқылдық тізбегі бойынша SLC8 және SLC24 ақуыздық отбасыларына ұқсас, бірақ болжамды TM топологиясы SLC24-ке көбірек ұқсас, бірақ ұқсастық ең жақсы жағдайда әлсіз және қарым-қатынас өте алыс. TM домендері ашық көк түспен, α1 және α2 домендері жасыл түспен көрсетілген. Мембранадағы бағыты және N және C ұштарының орналасуы көрсетілген, ал сурет масштабқа сәйкес келтірілмеген. XntAp арқылы жүзеге асырылатын Mg2+ тәуелді тоқтар кинетикалық тұрғыдан каналды протеинге ұқсас және иондық таңдау реті Mg2+ > Co2+, Mn2+ > Ca2+ – бұл серия де CorA-ға өте ұқсас.

MRS2

Биоақпараттық іздеу нәтижесінде тізбек дерекқорында метазоялардың көптеген түрлерінде ашытқының MRS2 геніне гомолог табылған. TRP гендерін зерттеуге шолу жасалды, ал Монтеллдің (2003) екінші шолуы TRPM гендерін зерттеуге арналған. TRPM иондық арналар отбасының мүшелері метазоялардың барлық түрлерінде кездеседі. TRPM6 және TRPM7 ақуыздары ерекше ерекшеліктерімен көзге түседі, олардың құрамында иондық арна домені және киназа домені бар (1.7 сурет), олардың қызметі қызу пікірталас тудырады. Бірақ TRPM6 болғанда тасымалданатын катиондарға қатысты аффинитет Mg2+ ионын Ca2+ ионынан жоғарырақ қояды. Хабарланған өткізгіштіктің айырмашылықтары осы гендердің экспрессиялық үлгілерімен байланысты. TRPM7 қазірге дейін тексерілген барлық жасуша түрлерінде экспрессияланады, ал TRPM6 экспрессиясы шектеулірек. Voets және авторлар (2004) таңдаған эксперименталды жүйе нәтижесінде TRPM6 функционалды Mg2+ тасымалдаушысы деген қорытындыға келді. Алайда, Чубанов және авторлар (2004) мен Монтелл және авторлар (2002) жүргізген келесі зерттеулер, Клаудин 16 генін Симон және авторлар (1999) клондады. Геннің экспрессиялық үлгісі RT-ПЦР әдісімен анықталды, нәтижесінде ол бүйрек түтікшесінің қалың төменгі бөлігінен дистальды бүктемелі түтікшеге дейінгі үздіксіз аймағына өте тығыз шектелгендігі анықталды, бұл ген мен Mg2+ сіңіру арасындағы байланысты нығайтады.

Өсімдіктер

Өсімдіктердегі Mg2+ тасымалының молекулалық механизмдері туралы қазіргі білім өте шектеулі, тек үш жариялымда Mg2+ тасымалының молекулалық негізі туралы мәліметтер келтірілген. Бұл шамалар физиологиялық маңызға ие, себебі өсімдіктердегі бірнеше мембраналар ΔΨ-ны осы диапазонда сақтайды. Дегенмен, автор бұл нәтижелерді қайта шығаруда қиындыққа тап болды, себебі AtMRS2 11 ақуызын қамтитын ооциттердің "өлгеніне" байланысты, сондықтан бұл нәтижелерге сақ болу керек. AtMRS2 10 тасымалдағышы радиоактивті іздеушілерді қабылдау арқылы талданды. Ақуыз арқылы Mg2+ тасымалының қалай реттелетіні анықталған жоқ. Ток ақуыз арқылы екі бағытта да өтіп, бірақ Mg2+ шығу тогы үшін 5,5 pH-тың ‘цитоплазмалық’ ортасы қажет, бұл жағдай қалыпты жағдайда өсімдік жасушаларында кездеспейді. Mg2+ тасымалынан басқа, Shaul et al. (1999) ақуыздың Zn2+ және Fe2+ тасымалдауға да қабілетті екенін көрсетті, бірақ ақуыздың басқа еківалентті катиондарды (мысалы, Co2+ және Ni2+) тасымалдау қабілеті немесе кобальт (III) гексаамминмен тежелуге сезімталдығы туралы хабарлама жасамады. AtMHX үшін Mg2+ тасымалының егжей-тегжейлі кинетикасы анықталған жоқ. Алайда, физиологиялық әсерлері көрсетілген. А. талиана өсімдіктері CaMV 35S промоторымен басқарылатын AtMHX генінің жоғары экспрессиялық конструкцияларымен трансформацияланғанда, өсімдіктер ақуызды артық жинақтады және жапырақтарда некроздық зақымданулардың фенотипі байқалды, авторлардың пікірінше, бұл вакуольдің қалыпты функциясындағы бұзылудың салдары, себебі олардың байқауы бойынша трансгендік өсімдіктердегі жалпы Mg2+ (немесе Zn2+) мөлшері өзгерген жоқ. Сурет Shaul et al. (1999) және Quednau et al. (2004) еңбектерінен бейімделген, және HMMTOP талдауымен біріктірілген, бұл сурет Arabidopsis thaliana-дағы AtMHX ақуызының компьютерлік болжамдалған мембраналық топологиясын көрсетеді. Қазіргі уақытта көрсетілген топология алдын ала гипотеза ретінде қарастырылуы керек. TM домендері ашық көк түспен, мембранадағы бағыты және N және C терминалдарының орналасуы көрсетілген, ал сурет масштабқа сәйкес келтірілмеген. Жасыл түспен көрсетілген α1 және α2 домендері екеуі де өте гидрофобты және екеуі де мембранаға енгізілуі мүмкін.