EMBO J：新研究揭示ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的工作機(jī)制

根據(jù)近期的一項研究，來自慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universitaet（LMU）的研究人員使用一種特殊的熒光成像技術(shù)來揭示了細(xì)胞膜中的通道蛋白將分子運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外介質(zhì)時發(fā)生的構(gòu)象變化。

生物細(xì)胞可以被認(rèn)為是蜂巢，其中蛋白質(zhì)起到工蜂的作用。不一樣的是，蛋白質(zhì)可以相互作用形成分子機(jī)器。為了理解其功能多樣性的機(jī)制，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家主要依賴于結(jié)晶后三維結(jié)構(gòu)的分析。然而，蛋白質(zhì)晶體提供的基本上是靜態(tài)的圖像。 “所以這種方法本身就是不夠的，”LMU物理與合成生物學(xué)教授Thorben Cordes說。 “我們需要了解分子運(yùn)動和蛋白質(zhì)在行使功能過程過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。” Cordes和他的研究小組專注于尋找揭示蛋白質(zhì)動態(tài)變化的方法。他們與倫敦帝國理工學(xué)院和格羅寧根大學(xué)的團(tuán)隊合作，成功地揭示了一類膜整合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中發(fā)生的構(gòu)象變化。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在EMBO雜志上。

這類被研究的蛋白質(zhì)叫做ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這是一種必需的膜蛋白，參與很多細(xì)胞過程，包括營養(yǎng)吸收，解毒和免疫反應(yīng)。ABC由兩個組分組成：1、嵌入膜中的跨膜結(jié)構(gòu)域形成通道，基質(zhì)通過該通道從細(xì)胞流出；2、細(xì)胞內(nèi)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)提供所需的能量 - 它通過結(jié)合和分解ATP（細(xì)胞的主要化學(xué)能載體）來完成。

為了確定ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如何將其底物運(yùn)輸?shù)侥ど?，Cordes及其同事使用了單分子FRET方法。FRET原理如下：將兩個分子分別用兩種不同的熒光染料連接，當(dāng)其位于相互作用的分子或結(jié)構(gòu)域時，熒光信號隨著它們之間的距離而變化（即發(fā)生“熒光共振能量轉(zhuǎn)移”）。通過使用顯微鏡測量這些變化，可以監(jiān)測構(gòu)象結(jié)構(gòu)的變化和不同蛋白質(zhì)亞基之間的結(jié)合相互作用。 “通過這種方式，我們能夠證明底物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)需要ABC蛋白構(gòu)象的重大變化，”Cordes說。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的兩個結(jié)構(gòu)域可以以開放或閉合構(gòu)象存在。在開始時，核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域向內(nèi)開放。然后ATP分子的結(jié)合觸發(fā)該結(jié)構(gòu)的關(guān)閉。當(dāng)?shù)孜镆呀?jīng)在由跨膜結(jié)構(gòu)域形成的通道中時，跨膜結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)為開放構(gòu)象，將底物釋放到基質(zhì)中，然后關(guān)閉。

基于這一結(jié)果，作者希望單分子FRET將成為進(jìn)一步研究ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的優(yōu)選方法。 “這類轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白也參與了許多嚴(yán)重疾病的發(fā)病機(jī)制，包括囊性纖維化以及抗癌藥物，”Cordes解釋說。 “因此，更好地了解他們的運(yùn)輸機(jī)制可以開辟新的*會。” （生物谷）

資訊出處：Protein dynamics: Molecular machines at work

原始出處：Florence Husada, Kiran Bountra, Konstantinos Tassis, Marijn de Boer, Maria Romano, Sylvie Rebuffat, Konstantinos Beis, Thorben Cordes.Conformational dynamics of the ABC transporter McjD seen by single‐molecule FRET. The EMBO Journal, 2018; e100056 DOI: 10.15252/embj.2018100056