ECF转运蛋白的组织和转运机理,北京生科院等深入分析钴离子ECF转运蛋白复合体的结构与机理

11月29日下午,上海生科院研究生部主办的第七十九期“第一作者讲坛”在中科大厦一楼报告厅如期举行。植生生态所张鹏研究员指导的博士研究生许可同学为大家带来了精彩报告,题为“一个叶酸ECF转运蛋白的小故事——用结构生物学的眼睛去看看‘你’的样子”。

ABC转运蛋白依靠分解ATP产生的能量驱动信号分子、营养物质、药物分子等的跨细胞膜转运,是生物体中最大的初级主动转运蛋白家族。ECF转运蛋白是近年来发现的一类新型ABC内向转运蛋白,结构上由膜内底物特异结合蛋白EcfS和一个由跨膜蛋白EcfT和两个胞内ATP结合蛋白组成的能量耦合模块组成,分为能量耦合模块专用型和共享型两类。专用型每个EcfS蛋白使用专一的ECF模块,共享型多个不同的EcfS蛋白共享同一个ECF模块。ECF转运蛋白在细菌与植物中保守存在,介导微量营养物质的跨膜转运。在前期工作中,张鹏课题组解析了多个共享型ECF转运蛋白复合体的结构,阐释了底物识别、模块共享、跨膜转运的分子机制。然而,人们对专用型ECF转运蛋白的结构与机理缺乏了解。

ABC转运蛋白依靠分解ATP产生的能量驱动信号分子、营养物质、药物分子等的跨细胞膜转运,是生物体中最大的初级主动转运蛋白家族。ECF转运蛋白是近年来发现的一类新型ABC内向转运蛋白,结构上由膜内底物特异结合蛋白EcfS和一个由跨膜蛋白EcfT和两个胞内ATP结合蛋白组成的能量耦合模块组成,分为能量耦合模块专用型和共享型。专用型每个EcfS蛋白使用专一的ECF模块,共享型多个不同的EcfS蛋白共享同一个ECF模块。ECF转运蛋白在细菌与植物中保守存在,介导微量营养物质的跨膜转运。在前期工作中,张鹏课题组解析了多个共享型ECF转运蛋白复合体的结构,阐释了底物识别、模块共享、跨膜转运的分子机制。然而,人们对专用型ECF转运蛋白的结构与机理缺乏了解。

ECF(Energy-Coupling-Factor)转运蛋白是一类新的ABC(ATP-Binding-Cassette)转运蛋白,主要功能是负责维生素以及微量元素的跨膜内向转运。许可同学及其实验室成员解析的叶酸ECF转运蛋白结构是迄今第一个ECF型ABC转运蛋白复合体的结构,也是叶酸跨膜转运蛋白的首个结构。结构揭示了ECF转运蛋白与经典ABC转运蛋白的显著差异、能量耦合的结构基础,鉴于叶酸是在生命活动中非常重要的维生素,该结构的解析对于阐明维生素的跨膜转运机制也有十分重要的推动作用。其相关研究论文已于2013年5月9日在《Nature》上发表,并获得了广泛关注。

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究人员选择专用型ECF转运蛋白的典型代表——跨膜转运钴离子的CbiMNQO为研究对象开展结构与机理的研究。CbiMNQO是由膜蛋白CbiM、CbiN、CbiQ和细胞质内的ATP结合蛋白CbiO组成的五亚基复合体。研究人员建立了基于质谱的体内转运活性检测系统,发现CbiMNQO的Co2+转运活性需要N蛋白。在体外,N蛋白对复合体的ATP水解活性却没有影响,CbiM蛋白对复合体ATP水解活力则具有强的激活效应,且激活不依赖于底物Co2+的存在。研究人员解析了CbiMQO复合体2.8Å分辨率的晶体结构。通过将CbiMQO复合体中底物释放状态的CbiM与之前报道的底物结合状态的NikM进行比较,发现连接第2和第3个跨膜螺旋的L1
loop发生了显著的构象变化,可以作为底物进出CbiM的门控开关。进而,通过解析复合体中CbiO蛋白处于ATP结合状态的结构,并将之与CbiMQO复合体结构中处于ATP释放状态的CbiO结构进行比较,揭示了转运复合体中CbiO蛋白在ATP结合与释放过程中的构象变化。鉴于缺少CbiN不影响复合体的ATP水解活力,但却丧失Co2+转运活性的实验结果,研究人员预测CbiN蛋白在CbiM与CbiQ的构象耦联中起重要作用。这是首次对专用型ECF转运蛋白复合体结构的报道,对理解不同类型ECF转运蛋白的跨膜转运机理具有重要意义。

中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究人员选择专用型ECF转运蛋白的典型代表——跨膜转运钴离子的CbiMNQO为研究对象开展结构与机理的研究。CbiMNQO是由膜蛋白CbiM、CbiN、CbiQ和细胞质内的ATP结合蛋白CbiO组成的五亚基复合体。研究人员建立了基于质谱的体内转运活性检测系统,发现CbiMNQO的Co2+转运活性需要N蛋白。在体外,N蛋白对复合体的ATP水解活性却没有影响,CbiM蛋白对复合体ATP水解活力则具有强的激活效应,且激活不依赖于底物Co2+的存在。研究人员解析了CbiMQO复合体2.8Å分辨率的晶体结构。通过将CbiMQO复合体中底物释放状态的CbiM与之前报道的底物结合状态的NikM进行比较,发现连接第2和第3个跨膜螺旋的L1
loop发生了显着的构象变化,可以作为底物进出CbiM的门控开关。进而,通过解析复合体中CbiO蛋白处于ATP结合状态的结构,并将之与CbiMQO复合体结构中处于ATP释放状态的CbiO结构进行比较,揭示了转运复合体中CbiO蛋白在ATP结合与释放过程中的构象变化。鉴于缺少CbiN不影响复合体的ATP水解活力,但却丧失Co2+转运活性的实验结果,研究人员预测CbiN蛋白在CbiM与CbiQ的构象耦联中起重要作用。这是首次对专用型ECF转运蛋白复合体结构的报道,对理解不同类型ECF转运蛋白的跨膜转运机理具有重要意义。

在报告中,许可同学用平实而生动的语言深入浅出地阐述了该课题的研究背景,自己选择结构生物学的小故事,并且详细为大家介绍了在解析ECF转运蛋白过程中遇到的种种挫折以及克服这些挫折的过程;随后,讲解了ECF转运蛋白复合体的结构以及通过该结构提出的转运及能量偶联的假说;最后还与在场的同学们分享了自己在三年多的科研生涯中总结出来的经验和教训。

mgm5808美高梅,上述研究成果于3月21日在线发表在《细胞研究》(cell
research
)上,中科院上海生科院植生生态所张鹏研究组博士研究生鲍志浩和齐晓峰为该论文的共同第一作者,研究员张鹏和清华大学教授王佳伟为论文的共同通讯作者。研究工作得到了上海生科院植生生态所研究员晁代印研究组和生物化学与细胞生物学研究所研究员李典范研究组的大力帮助。晶体衍射数据收集工作得到了国家蛋白质中心19U1/18U1线站和上海光源17U线站的支持。该项目得到国家科技部、基金委和中科院的经费资助。

上述研究成果于3月21日在线发表在《细胞研究》(cell
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)上,中科院上海生科院植生生态所张鹏研究组博士研究生鲍志浩和齐晓峰为该论文的共同第一作者,研究员张鹏和清华大学教授王佳伟为论文的共同通讯作者。研究工作得到了上海生科院植生生态所研究员晁代印研究组和生物化学与细胞生物学研究所研究员李典范研究组的大力帮助。晶体衍射数据收集工作得到了国家蛋白质中心19U1/18U1线站和上海光源17U线站的支持。该项目得到国家科技部、基金委和中科院的经费资助。

张鹏研究员在之后的总结中肯定了许可同学对于该科研成果做出的努力,并从一位博士生导师的角度和大家分享了自己对于博士学习阶段的主要目标以及科学研究意义的理解,还为大家介绍了结构生物学研究对于整个生物学领域的重要意义。

论文链接

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在场的同学们认真聆听了报告,并积极踊跃参与提问和讨论,提出了很多观点和想法。报告结束后,很多同学依旧围绕在其身边讨论相关问题,充分展现了当代研究生的科学热情和探索精神。

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