研究首次揭示精胺转运蛋白的工作机制

文摘 2024-10-30 23:57 浙江

精胺这个"细胞生长的助推器"在致病菌形成生物膜、产生毒力等致病过程中扮演着重要角色。

在我们日常生活中，从食物保鲜到生命活动，都离不开一种叫做"多胺"的分子。精胺就是其中的一种重要成员，它像一位勤劳的"搬运工"，在细胞生长、基因表达和细胞分裂等重要生命活动中发挥着关键作用。在细菌中，精胺不仅参与细胞生长，还与生物膜形成、细胞壁合成等重要功能密切相关。

有趣的是，细菌为了获取这种重要物质，进化出了一套精密的运输系统——PotD-PotABC复合体。这个复合体就像一个精心设计的"自动门"，可以识别并将精胺从细胞外转运到细胞内。然而，这扇"门"究竟是如何工作的？它又是如何保证只让"对的客人"进入呢？

2024年9月20日，南洋理工大学等研究团队在 Science Advance 期刊在线发表了一篇题为《细菌精胺转运蛋白PotD-PotABC的结构揭示其转运机制》的研究论文。研究团队通过冷冻电镜技术首次解析了大肠杆菌精胺运输系统PotD-PotABC复合体的结构，阐明了其转运精胺的分子机制。

研究团队在大肠杆菌C41细胞中表达了potABCD操纵子，并通过亲和层析和凝胶过滤色谱纯化了目标蛋白复合物。随后，利用配备有GIF Quantum能量过滤器和Falcon4i探测器的Titan Krios 300kV冷冻电镜进行数据采集。为解决ATP结合状态下复合体的取向偏好问题，在样品制备时添加了Fos-Choline-8表面活性剂。通过Cryosparc4.1软件进行数据处理，最终获得了约3Å分辨率的三维重构图。为验证关键氨基酸的功能，研究人员对PotA、PotB和PotC的多个位点进行了点突变，并通过ATPase活性测定评估这些突变体的功能。此外，还利用纳米盘技术重构了野生型PotABC复合物，以研究其在类膜环境中的结构特征。

PotABC复合体的基本结构特征

研究人员利用冷冻电镜以约3Å的分辨率解析了PotABC复合体的结构。结果表明，该复合体由两个PotA亚基、一个PotB和一个PotC亚基组成。其中PotA位于细胞质中，而PotB和PotC则形成跨膜异二聚体，每个蛋白都包含6个跨膜螺旋，排列成二倍假对称结构。尽管PotB和PotC的序列同源性仅为21.9%，但它们的三级结构非常相似，247对Cα原子的均方根偏差（RMSD）为3.97Å。主要区别在于过氧化物酶样环2（P2），PotB在P2环中多了一个螺旋（从Y129到L137）。

精胺结合位点的精确定位

在PotABC复合体中，研究人员清晰地观察到一个精胺分子被包围在膜腔内，主要由PotB和PotC的跨膜螺旋3至5（TM3-TM5）形成。多个氨基酸残基参与了与精胺的相互作用：PotB的S113和Y223以及PotC的D198与精胺的一端胺基结合，而PotC的M104、S106和D108则与另一端相互作用。此外，PotB的I160、F164和L213通过疏水作用与精胺的碳原子相互作用。PotB（F164和L213）和PotC（F142和L191）共同阻止精胺向细胞质释放。

ATP结合引起的构象变化

当ATP结合到PotA时，引发了一系列显著的构象变化。首先，PotA的核苷酸结合结构域（NBD）发生约15°的旋转，导致耦联螺旋之间的距离从29.5Å显著缩短到17.6Å。这种变化进而引起PotB和PotC的跨膜区域构象改变，使复合体从内向构象转变为外向构象。特别是PotC的TM3-TM6向PotB方向移动，形成了一个容纳精胺的腔体。同时，在PotD中也观察到显著变化，其N端和C端叶片从"闭合"状态转变为"开放"状态，形成了足够宽的通道供精胺转运。

关键氨基酸残基的功能验证

通过点突变和ATPase活性测定，研究人员验证了多个关键氨基酸的功能。结果显示，PotA中与ATP结合相关的突变体（F27A、T57A、S149A和D172A）的ATPase活性显著降低，其中催化残基D172的突变导致活性几乎完全丧失。此外，PotB（Y223A和D226A）和PotC（K223A）的突变体也显示出明显的功能缺陷，表明这些残基对精胺的转运至关重要。

总结

这项研究首次阐明了细菌精胺转运系统PotD-PotABC的结构和工作机制，揭示了ATP驱动的精胺转运过程中的关键步骤和构象变化。这些发现为开发以精胺转运系统为靶点的抗菌药物提供了重要的结构基础。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado8107

撰文｜Coral

责编｜Asher

转载、交流、合作

联系我们

NeuroWorld

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzk0NDIwMjUwMw==&mid=2247487663&idx=1&sn=b3fd9aa6a60f3db3181584acbdda10da

神经世界

聚焦神经科学领域前沿，报道脑科学与人工智能领域的最新动态。

最新文章

揭秘快速眼动睡眠的神经控制中枢 | 神经速递 NO.17

Nature | 溶酶体功能障碍如何引发脑部疾病？

Science | 为什么我们能够思考、记忆和感知？科学家首次揭示神经递质运输的分子机器

帕金森病关键蛋白质的3D结构被破解

Science | 研究揭示神经元在不同行为状态下的电压变化

细胞"清洁工"出故障，研究揭示帕金森病背后的分子机制

Science | 免疫细胞参与大脑发育，科学家揭示社交行为调控机制

科学家发现溶酶体"出口"的机制

科学家首绘人类黑质区细胞图谱，发现帕金森病新靶点

蛋白质装配中方向错了会怎样？

Cell | 为什么我们的神经系统会逐渐"退化"？

研究首次揭示精胺转运蛋白的工作机制

Cell | 大脑如何将经历转化为记忆？研究揭示海马CA3区编码记忆新机制

Cell | 考前为什么特别想上厕所？科学家揭示大脑-肠道互动的神秘通路

Cell | 科学家呼吁动物智能的神经基础研究需要新思路

研究揭示为何有些运动员退役后会手抖

NEJM | 科学家开发创新疗法对抗致命神经疾病

大地震！AI解决蛋白质设计与药物数十年难题！掀起科研新浪潮！

Science | 化敌为友，原位树突状细胞重编程开创癌症免疫治疗新纪元

Cell | 突破！细胞脂质的清道夫：PLD3/4合成BMP调控溶酶体脂质代谢平衡

Science | 突触形成新发现，特殊脂质引导突触蛋白精准运输

研究揭示我们为什么会健忘

Cell | 为什么有些人容易做梦？

Cell | 人工智能发现超长RNA病毒

大地震！AI解决蛋白质设计与药物数十年难题！掀起科研新浪潮！

Nature | CRISPR筛选助力神经干细胞年轻化，让大脑重焕青春

Science | 精神分裂症从何而起？

Cell | 为什么老年人的肝脏修复会变慢？科学家找到新线索

Science | “上下左右”，能倒着说出来吗？猕猴大脑揭示空间序列操作的神经密码

2024年诺贝尔物理学奖揭晓！竟然颁给了人工智能研究先驱

2024年诺贝尔生理学或医学奖揭晓！microRNA及其转录后基因调控获诺奖！

Science | 基因治疗迎来"智能时代"：渐冻症患者新福音？

Science | 我爱你，你是谁？科学家揭示海马体的语言理解密码

神经世界通知：10月18-20日“2024第二届高级酶工程与酶技术应用大会”--天津

Science | 又到一年秋乏时，研究揭示我们为什么会困倦？

Science | 灵长类动物的小脑与啮齿类动物有何不同？

AI颠覆合成化学之路—人工智能在化学合成及生物合成中创新应用技术论坛（10月25日—27日/上海市）

今日Cell | 脑脊液蛋白组学揭示阿尔茨海默病早期变化

杭州医学院金大智团队在艰难梭菌One Health物种间克隆传播研究中取得突破性进展

神经世界通知：10月18-20日“2024第二届高级酶工程与酶技术应用大会”--天津

Cell | 新型神经退行性疾病治疗方法：利用tau的“自私”本性，消灭它自己

颠覆想象，帕金森和阿尔兹海默症或起源于肠道！

Cell | 我们的大脑是如何控制睡眠的？

Nature | 肥胖新机制:下丘脑"神经纤维化"阻碍胰岛素信号

3D打印皮肤进入新阶段 | 神经速递 NO.16

Science | 研究揭示神经元通过调控星形胶质细胞参与嗅觉信息处理

Science | 早C晚A的A！科学家揭秘维生素A如何促进皮肤再生

Science | 记忆也有保质期？揭秘不同"年龄"的神经元如何编织记忆

脑部疾病诊断新技术：科学家首次实现活体人脑正电子素寿命成像

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉