Architettura dell'eme

Nature Communications volume 14, numero articolo: 5190 (2023) Citare questo articolo

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I citocromi c mono e multieme vengono maturati post-traduzionalmente dall'attaccamento covalente dell'eme. Per questo, l'Escherichia coli utilizza il tipo più complesso di macchinari di maturazione, il sistema Ccm (per la maturazione del citocromo C). È costituito da due complessi proteici di membrana, uno dei quali trasporta l'eme attraverso la membrana verso uno chaperone mobile che poi consegna il cofattore al secondo complesso, un'apoproteina:eme liasi, per l'attaccamento covalente. Qui riportiamo le strutture microscopiche crioelettroniche del complesso di traslocazione dell'eme CcmABCD da E. coli, da solo e legato allo chaperone dell'eme CcmE. CcmABCD forma un complesso eteroottamerico centrato attorno al trasportatore ABC CcmAB che di per sé non trasporta l'eme. I nostri dati suggeriscono che il complesso sposta un gruppo eme dal lembo interno a quello esterno alle sue interfacce CcmBC, guidato dall'idrolisi dell'ATP in CcmA. Un motivo conservato di gestione dell'eme (WxWD) sul lato periplasmatico di CcmC ruota l'eme di 90° per l'attaccamento covalente allo chaperone dell'eme CcmE che troviamo interagire esclusivamente con la subunità CcmB.

I citocromi c sono una famiglia diversificata e versatile di metalloproteine ​​presenti in tutti i regni della vita1. Contengono una o più copie del cofattore tetrapirrolico Fe-protoporfirina IX, o eme, e la loro caratteristica distintiva è l'attaccamento covalente di questa porzione metalloorganica ai caratteristici motivi di legame della sequenza C-Xn-CH (più comunemente n = 2; Supplementare Figura 1a)2. Lo scopo di questa modifica post-traduzionale è almeno duplice. Innanzitutto, i citocromi c sono invariabilmente dispiegati in un ambiente extracitoplasmatico, in modo che l’attaccamento covalente serva a prevenire la perdita del cofattore. In secondo luogo, il fissaggio dei gruppi eme alla catena peptidica allevia la necessità di formare ingombranti tasche di legame, consentendo un rapporto cofattore:proteina molto elevato e con esso la formazione di catene fitte di gruppi eme all'interno di una singola proteina3. Di conseguenza, i ruoli tipici dei citocromi c sono nel trasferimento di elettroni o nella catalizzazione di reazioni redox multielettroniche4. Il membro più importante di questa famiglia di proteine ​​è probabilmente il monoeme citocromo c della catena respiratoria mitocondriale, dove trasporta gli elettroni dal complesso del citocromo bc1 alla citocromo c ossidasi5. Tuttavia, i procarioti hanno sviluppato sistemi di complessità molto più elevata6, con diversi e fino a dozzine di gruppi eme su una singola catena peptidica. Organismi selezionati come il Geobacter sulfurreducens codificano più di cento citocromi multieme c nel loro genoma7. La maturazione dei citocromi c è elaborata. Gli apocitocromi contengono una sequenza segnale per l'esportazione dal citoplasma attraverso il traslocone Sec, e la nascente catena peptidica viene quindi processata nel compartimento extracitoplasmatico da un complesso eme liasi che riconosce i motivi leganti l'eme e media l'attacco covalente del cofattore mediante aggiungendo i due gruppi tiolici della cisteina alle sue catene laterali viniliche. La cosa più notevole è che questo processo è indipendente dalla sequenza complessiva della proteina e funziona per apocitocromi di dimensioni molto diverse. La catena peptidica viene scansionata dalla liasi che riconosce specificamente i motivi leganti l'eme. In tutte le eme liasi conosciute, le proteine ​​della famiglia "eme-handling" svolgono un ruolo cruciale e il loro segno distintivo è un motivo ricco di triptofano, abbreviato come "motivo WxWD", mediante il quale i cofattori sono trattenuti e posizionati per l'interazione con la proteina8 . Poiché i citocromi c sono una famiglia di proteine ​​evolutivamente antica, le maturasi si sono diversificate nel tempo e le classificazioni attuali elencano cinque diversi sistemi di eme liasi9,10. Il più complesso di questi è il sistema I, il sistema Ccm (per la maturazione del citocromo c) che si trova nei proteobatteri α e β, nei mitocondri vegetali, nei deinococchi, negli archaea e in alcuni proteobatteri γ e δ. Nella maggior parte dei casi è codificato in un singolo operone della composizione ccmABCDEFGHI (Figura 1b supplementare), i cui prodotti proteici formano due complessi proteici integrali di membrana con funzionalità distinte11. Qui, un complesso CcmFHI funge da modulo dell'eme liasi che scansiona l'apopeptide, riduce i disolfuri che potrebbero essersi formati nell'ambiente ossidante tramite un modulo tioredossina e attacca i cofattori dell'eme alla subunità centrale della liasi CcmF12,13. CcmG è una tioredossina simile alla DsbA che fornisce equivalenti riducenti al complesso liasi. Il secondo modulo è CcmABCD, un altro complesso proteico integrale di membrana centrato sul trasportatore ABC CcmAB. È stato descritto come un esportatore di eme che trasloca i cofattori attraverso la membrana per attaccarli allo chaperone dell'eme CcmE nel periplasma14. CcmE è una proteina di membrana monotopica che si ripiega in un dominio β-barile compatto e forma un collegamento covalente all'eme con un residuo di istidina situato nella sua coda flessibile C-terminale15,16. CcmE è l'elemento che collega il complesso di traslocazione dell'eme CcmABCD e il complesso dell'eme liasi CcmFHI17, e sebbene CcmF contenga invariabilmente un gruppo eme di tipo b, sono solo i cofattori forniti tramite CcmE che sono collegati alle catene dell'apo-citocromo (Fig. 1c).