構造生物学：膜界面でビタミンKによって駆動されるγ-カルボキシル化の分子基盤
Nature 639, 8055 doi: 10.1038/s41586-025-08648-1
グルタミン酸残基のγ-カルボキシル化は、Ca2+イオンを介してタンパク質複合体が膜上に集合することを可能にし、止血、カルシウムの恒常性維持、免疫応答、内分泌の調節といった幅広い生理的機能を支えている。γ-カルボキシル化レベルの調節は、出血性疾患や血栓塞栓性疾患で広く使われている治療法である。この独特な翻訳後修飾にはビタミンKヒドロキノン（KH2）が必要であり、これが膜に埋め込まれたビタミンK依存性γ-グルタミルカルボキシラーゼ（VKGC）が触媒する、大きなエネルギーが必要な反応を駆動する。今回我々は、この反応の基盤となる機構を解明するために、ヒトVKGCの非結合状態、KH2が結合した状態、そして、プロペプチドとグルタミン酸を多く含むドメインを持ち、さまざまなカルボキシル化状態にある4種類の止血性タンパク質および非止血性タンパク質との複合体のクライオ電子顕微鏡構造を決定した。VKGCは、プロペプチドとのknob-and-hole相互作用を介して基質タンパク質を認識し、連結されているグルタミン酸を含む領域を、立体的調節を行う大型チャンバー内へと運んで連続的にカルボキシル化する。プロペプチドの結合も全体的なコンホメーション変化を引き起こし、これはVKGC活性化のシグナルとなる。連続的な脱プロトン化とKH2のエポキシ化を介して、VKGCは極めて強力な塩基である遊離の水酸化イオンを生成させ、この水酸化イオンはグルタミン酸のγ-炭素を脱プロトン化してCO2を付加するのに必要である。この超強力な塩基は密閉された疎水性の通路によって保護されながら運ばれて拡散し、膜の界面を越えて起こるKH2のエポキシ化とγ-カルボキシル化の共役という難問を非常にうまく解決する。これらの構造的な手掛かりや広範な機能実験は、膜の酵素学的研究を進め、γ-カルボキシル化の異常が関わる疾患の治療法の開発を加速するだろう。
