安诺转录组文章6连发,666~
做实验,得iPhone!
2018全球硬科技创新大会生物技术论坛

有机底物与蛋白相互作用的方式终于看清楚了——廖军/高召兵联合团队揭示乙酸单向转运机理

2018/03/30 来源:BioArt/迦溆
分享: 
导读
生命本质上是关于碳的有机化学。虽然细胞与细胞之间以及细胞与环境之间时刻进行有机物的交换,但是关于这些有机物通过跨膜通道进出细胞的机制研究不多。现有的通道主要聚焦于无机离子的研究(譬如钾离子、钠离子、钙离子、镁离子和氯离子等)。单羧酸类化合物是生命体进行蛋白质、核酸和脂类代谢的重要前体或中间代谢物,其跨膜转运的研究却非常匮乏。虽然此前施一公组、颜宁组和国际上一些其它实验室解析了甲酸通道FocA的结构,但由于这些蛋白结构中缺乏确凿的底物,没能清晰展示通道与底物相互作用的机制。


本文转载自“BioArt”。

日前,上海科技大学廖军实验室与中科院上海药物所高召兵实验室合作在Cell Research杂志上发表了题为“Succinate-acetate permease from Citrobacter koseri is an anion channel that unidirectionally translocates acetate”的研究成果,获得了1.8埃分辨率的乙酸通道蛋白SatP_Ck与乙酸的复合物结构,首次清晰地显示了有机底物与蛋白相互作用的方式。

乙酸是一类重要的代谢产物。在地球的碳循环中,大约三分之二的生物类甲烷来自乙酸【15】。哺乳动物的肠道微生物对食物的降解也产生大量乙酸。在人体中,乙酸占短链脂肪酸终产物含量超过一半【16】,并参与宿主的各种信号通路。虽然生物信息学显示Succinate-Acetate Permease(SatP) 是一个大家族,有超过3千多个不同蛋白序列,但到底是transporter(转运蛋白)还是channel(离子通道)并不清楚。廖军和高召兵实验室合作的研究成果不但表明SatP_Ck(Citrobacter koseri)是一个以107/秒转运乙酸的通道蛋白,而且该通道蛋白可以单向转运乙酸根。原来的channel领域虽然有很多整流通道蛋白的报道,但还没有一个被报道是单向通道蛋白的。

乙酸根具有双亲性的有机物的典型结构特征,包含亲水部和疏水部。乙酸通道蛋白SatP_Ck与乙酸的复合物结构清晰显示了乙酸亲水部和疏水部在通道中分别与相关的极性基团和疏水基团相互作用的方式。有趣的是,乙酸根是以旋转的方式通过通道的。现在还不清楚这种旋转方式对于离子通过通道是否必须。在以往的离子通道研究中,由于无机离子通常是对称的球形,所以没有关于离子旋转的报道。

荷电的离子穿越脂双层时要克服能垒【17】,SatP_Ck的通道中布满了芳环基团,这些基团通过anion-pi相互作用稳定了乙酸根。以往,这种anion-pi相互作用被认为是氯离子通道蛋白和氟离子通道蛋白离子选择性的一个重要基础【4,18,19】。SatP_Ck与乙酸根的复合物结构表明,anion-pi相互作用可能更多是稳定阴离子跨膜转运的电荷平衡的策略。

SatP_Ck六聚体结构

在经典的阳离子通道蛋白(譬如钾离子、钠离子、钙离子通道)中,阳离子的脱水机制被认为是实现离子选择性的一个重要因素【2,8】。这些通道通常含有选择性滤器(selectivity filter)。选择性滤器构成通道最狭窄的部分。不同离子通过这些滤器时,由于离子-配体配位化学(包括配位形状,键长和键角等)和离子脱水能量的不同,只有配位最好和耗费能量最低的离子通过其合适的滤器,从而实现离子的选择性。SatP_Ck的结构却显示乙酸根从溶液进入通道采取分步脱水的方式,这种分步脱水有利于离子逐级克服穿越通道的能垒,从而可能是SatP_Ck实现乙酸单向转运的重要机制。

参考文献

1. Nelson, D. L., Lehninger, A. L. & Cox, M. M. Lehninger principles of biochemistry. (Macmillan, 2008).

2. Doyle, D. A. et al. The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity. Science 280, 69-77 (1998).

3. Dutzler, R., Campbell, E. B., Cadene, M., Chait, B. T. & MacKinnon, R. X-ray structure of a ClC chloride channel at 3.0 A reveals the molecular basis of anion selectivity. Nature 415, 287-294, doi:10.1038/415287a (2002).

4. Kane Dickson, V., Pedi, L. & Long, S. B. Structure and insights into the function of a Ca(2+)-activated Cl(-) channel. Nature 516, 213-218, doi:10.1038/nature13913 (2014).

5. Liao, J. et al. Structural Insight into the Ion-Exchange Mechanism of the Sodium/Calcium Exchanger. Science 335, 686-690, doi:10.1126/science.1215759 (2012).

6. Maguire, M. E. The structure of CorA: a Mg2+-selective channel. Current Opinion in Structural Biology 16, 432-438, (2006).

7. Payandeh, J., Scheuer, T., Zheng, N. & Catterall, W. A. The crystal structure of a voltage-gated sodium channel. Nature 475, 353-358, (2011).

8. Tang, L. et al. Structural basis for Ca2+ selectivity of a voltage-gated calcium channel. Nature 505, 56-61, doi:10.1038/nature12775(2014).

9. Shen, H. et al. Structure of a eukaryotic voltage-gated sodium channel at near-atomic resolution. Science , doi:10.1126/science.aal4326 (2017).

10. Baldwin, J. E. & Krebs, H. The evolution of metabolic cycles. Nature 291, 381-382 (1981).

11. Wang, Y. et al. Structure of the formate transporter FocA reveals a pentameric aquaporin-like channel. Nature 462, 467-472, doi:10.1038/nature08610 (2009).

12. Lu, W. et al. pH-dependent gating in a FocA formate channel. Science 332, 352-354, doi:10.1126/science.1199098 (2011).

13. Lü, W. et al. The formate channel FocA exports the products of mixed-acid fermentation. Proceedings of the National Academy of Sciences 109, 13254-13259, doi:10.1073/pnas.1204201109 (2012).

14. Waight, A. B., Czyzewski, B. K. & Wang, D.-N. Ion selectivity and gating mechanisms of FNT channels. Current Opinion in Structural Biology 23, 499-506, doi:https://doi.org/10.1016/j.sbi.2013.05.007 (2013).

15. Ferry, J. G. Acetate Metabolism in Anaerobes from the Domain Archaea. Life 5, 1454-1471, doi:10.3390/life5021454 (2015).

16. Cummings, J. H., Pomare, E. W., Branch, W. J., Naylor, C. P. & Macfarlane, G. T. Short chain fatty acids in human large intestine, portal, hepatic and venous blood. Gut 28, 1221-1227 (1987).

17. Parsegian, V. A. Ion‐membrane interactions as structural forces. Annals of the New York Academy of Sciences 264, 161-174 (1975).

18. Stockbridge, R. B. et al. Crystal structures of a double-barrelled fluoride ion channel. Nature 525, 548-551, doi:10.1038/nature14981 (2015).

19. Yang, T. et al. Structure and selectivity in bestrophin ion channels. Science 346, 355-359, doi:10.1126/science.1259723 (2014).

本网站所有注明“来源:生物探索”的文字、图片和音视频资料,版权均属于生物探索所有,其他平台转载需得到授权。本网所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源和作者,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系(editor@biodiscover.com),我们将立即进行删除处理。所有文章仅代表作者观点,不代表本站立场。