野生型NPC1とP691Sのコレステロール輸送。分子動力学シミュレーションで動的挙動の変化が明らかに

Cholesterol Transport in Wild-Type NPC1 and P691S: Molecular Dynamics Simulations Reveal Changes in Dynamical Behavior.

• Nadia Elghobashi-Meinhardt

抄録

ニーマンピックC1（NPC1）タンパク質は、致死的なリソソーム脂質貯蔵疾患であるNPC病に関与する主要なタンパク質である。1278アミノ酸を含むNPC1は、3つの内腔ドメイン（N末端、中間内腔、C末端）と膜貫通ドメイン（TM）から構成されており、その中にはステロール感知ドメイン（SSD）と呼ばれる5つのらせん状の束が含まれています。SSDの正確な目的は知られていませんが、SSDは脂質輸送経路の一部として、あるいはシグナル伝達機構の一部として、コレステロールと結合していると考えられています。最近の低温電子顕微鏡構造解析により、ヒトNPC1のSSDにイトラコナゾール結合部位（IBS）が存在することが明らかになりました。この構造データを用いて、コレステロールが結合した野生型（WT）と変異型（P691S）のモデルを構築し、それぞれのコレステロール結合タンパク質の分子動力学（MD）シミュレーションを行った。WT NPC1の場合、コレステロールは脂質二重層の方向に横方向に移動する。P691Sの場合、コレステロールは、IBSとルーメンナルドメインをつなぐトンネルを介して、SSDからN末端ドメインに向かって移動することが初めて観察された。コレステロールが結合したWTとコレステロールが結合したP691Sの間で異なる動的挙動を示す原因を明らかにするために、IBSの構造的特徴を解析した。P691S変異体のSer691の側鎖には、WTタンパク質には存在しない水素結合ネットワークが導入されている。この変化は、P691S変異体で観察された動的挙動の変化の原因である可能性が高く、実験で観察されたコレステロールの輸送挙動の乱れを説明するのに役立つ。

The Niemann-Pick C1 (NPC1) protein is the main protein involved in NPC disease, a fatal lysosomal lipid storage disease. NPC1, containing 1278 amino acids, is comprised of three lumenal domains (N-terminal, middle lumenal, C-terminal) and a transmembrane (TM) domain that contains a five helix bundle referred to as the sterol-sensing domain (SSD). The exact purpose of the SSD is not known, but it is believed that the SSD may bind cholesterol, either as a part of the lipid trafficking pathway or as part of a signaling mechanism. A recent cryo-EM structure has revealed an itraconazole binding site (IBS) in the SSD of human NPC1. Using this structural data, we constructed a model of cholesterol-bound wild-type (WT) and mutant P691S and performed molecular dynamics (MD) simulations of each cholesterol-bound protein. For WT NPC1, cholesterol migrates laterally, in the direction of the lipid bilayer. In the case of P691S, cholesterol is observed for the first time to migrate away from the SSD toward the N-terminal domain via a putative tunnel that connects the IBS with the lumenal domains. Structural features of the IBS are analyzed to identify the causes for different dynamical behavior between cholesterol-bound WT and cholesterol-bound P691S. The side chain of Ser691 in the P691S mutant introduces a hydrogen bond network that is not present in the WT protein. This change is likely responsible for the altered dynamical behavior observed in the P691S mutant and helps explain the disrupted cholesterol trafficking behavior observed in experiments.