中科院PI最新Nature子刊解析细菌脂多糖跨膜转运机理
生物通 · 2017/04/16
来自中科院生物物理研究所的研究人员发表的文章解析了一种新型ABC transporter LptB2FG膜蛋白复合体的晶体结构,初步揭示了这种新型ABC transporter从细胞膜上抽提脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)分子的分子机制。


来自中科院生物物理研究所的研究人员发表了题为“Structural basis for lipopolysaccharide extraction by ABC transporter LptB2FG”的文章,解析了一种新型ABC transporter LptB2FG膜蛋白复合体的晶体结构,初步揭示了这种新型ABC transporter从细胞膜上抽提脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)分子的分子机制。

这一研究成果公布在4月10日的Nature Structural & Molecular Biology杂志上,文章的通讯作者是生物物理所黄亿华研究员,其研究组主要从事膜蛋白结构生物学研究。具体研究内容包括两个方面:膜蛋白的生成与蛋白质的跨膜转运机理;生物膜的生成。文章的第一作者是黄亿华课题组博士生骆青山。

LPS又称内毒素,组成革兰氏阴性细菌外膜的外小叶。脂多糖不仅是革兰氏阴性细菌外膜的主要组成成分, 也是导致炎症和人体天然免疫反应的主要原因。一百多年来,科学家们对细菌脂多糖在胞质中的合成已经有了很深入的了解,但直到二十一世纪初,美国普林斯顿大学细菌遗传学家、美国科学院院士Thomas Silhavy 和美国哈佛大学生物化学家Daniel Kahne等发现,细菌脂多糖的跨膜转运以及在外膜上的组装由七个脂多糖转运蛋白(LptA-G)负责完成。其中,LptB, LptF和LptG组成四聚体ABC transporter位于内膜上,负责从内膜外小叶抽提LPS,并通过LptC和LptA将LPS传递给位于外膜上的LptD-LptE复合体,最后完成LPS插膜组装。脂多糖为所有革兰氏阴性细菌生存所必需, 因此对脂多糖分子转运与组装相关蛋白复合体的结构和功能研究不仅可以加深对革兰氏阴性细菌外膜的生成机制的理解,也可以为研发新型抗生素应对日益严峻的革兰氏阴性细菌耐药问题提供解决方案。

黄亿华研究员课题组在2014年解析了负责脂多糖在细菌外膜上转运和组装的膜蛋白复合体LptD-LptE的2.4埃的高分辨率晶体结构, 初步阐明了脂多糖分子如何进入到细菌的外膜的分子机理(Nature,2014)。经过几年努力,又成功解析了负责从内膜抽提LPS的新型ABC transporter LptB2FG复合体的晶体结构。在LptB2FG复合体中,LptF和LptG各包含一个跨膜结构域(TMD),一个周质侧β-jellyroll结构域和一个与LptB相互作用的α-螺旋。

内膜上的LptF和LptG的跨膜结构域形成一个较大的外向开放的“V”型凹槽,结构分析和功能实验初步表明LPS可能从LptF和LptG跨膜结构域的接触面进入“V”型凹槽,在LptB结合和水解ATP提供能量基础上,通过构象变化将LPS转运到β-jellyroll结构域中,完成LPS从内膜的抽提过程。

这项研究通过对LptB2FG复合体结构和功能的分析,初步揭示了这种新型的ABC transporter从内膜抽提脂多糖分子的分子机理,并定义LptB2FG为一类Type III ABC exporter与Type I和Type II ABC exporter进行区分。

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  • Structural basis for lipopolysaccharide extraction by ABC transporter LptB2FG

    After biosynthesis, bacterial lipopolysaccharides (LPS) are transiently anchored to the outer leaflet of the inner membrane (IM). The ATP-binding cassette (ABC) transporter LptB2FG extracts LPS molecules from the IM and transports them to the outer membrane. Here we report the crystal structure of nucleotide-free LptB2FG from Pseudomonas aeruginosa. The structure reveals that lipopolysaccharide transport proteins LptF and LptG each contain a transmembrane domain (TMD), a periplasmic β-jellyroll-like domain and a coupling helix that interacts with LptB on the cytoplasmic side. The LptF and LptG TMDs form a large outward-facing V-shaped cavity in the IM. Mutational analyses suggest that LPS may enter the central cavity laterally, via the interface of the TMD domains of LptF and LptG, and is expelled into the β-jellyroll-like domains upon ATP binding and hydrolysis by LptB. These studies suggest a mechanism for LPS extraction by LptB2FG that is distinct from those of classical ABC transporters that transport substrates across the IM.

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