【科技前沿】上海科技大学饶子和团队解析了海藻糖转运蛋白复合物结构

来源：中国生物物理学会

在细菌中，5'-三磷酸腺苷（ATP）结合盒（ABC）转运蛋白对于摄取营养物质（包括非还原性二糖海藻糖，该代谢物对几种人类病原体（包括结核分枝杆菌）的存活和致病性至关重要）至关重要。 SugABC是一种ABC转运蛋白，可将海藻糖从周质脂蛋白LpqY转运到分枝杆菌的细胞质中。

2020年10月30日，上海科技大学饶子团队在Science Advances 在线发表题为“Structural basis of trehalose recycling by the ABC transporter LpqY-SugABC”的研究论文，该研究报告了分枝杆菌LpqY-SugABC复合物的高分辨率冷冻电子显微镜结构，以揭示其如何结合并通过膜将海藻糖传递到细胞质。

在该系统中观察到的独特功能是LpqY界面捕获海藻糖的初始模式。摄取是通过相对于SugABC旋转LpqY来实现的，在海藻糖结合后，LpqY从开放的和易接近的构象移动到夹紧的构象。 总之，该研究介绍的结构大大增强了对ABC转运蛋白一般机制的理解，并有助于了解革兰氏阳性细菌中跨膜的底物转运。 此外，这些发现将极大地指导海藻糖类似物作为潜在抗菌药物的设计和开发。

海藻糖（α-D-吡喃葡萄糖基-α-D-吡喃葡糖苷）是一种必需的不可还原二糖，用于细菌，真菌，寄生线虫，昆虫和植物，但在脊椎动物中未使用。海藻糖具有多种功能，包括作为碳和能量的来源，控制代谢途径的信号分子，以及保护细胞膜和蛋白质免受各种压力条件（包括干燥，加热，脱水，寒冷，和氧化。海藻糖对于包括艰难梭菌（C. difficile）和结核分枝杆菌（Mtb）在内的几种病原体的存活和毒力至关重要。

分枝杆菌可引起人类多种疾病，包括结核病（TB）。分枝杆菌和人类之间的代谢差异是海藻糖的需求，海藻糖是各种糖脂的重要组成部分，糖脂是重要的细胞壁结构，因此对于这些细菌的存活和毒性至关重要。在这些糖脂中，最著名的是海藻糖单甲酸酯（TMM）和海藻糖二甲酸酯（TDM），并且对于这些病原体至关重要。TMM是TDM的前体，它是Mtb细胞壁的主要免疫刺激成分，包括肽聚糖，阿拉伯半乳聚糖，霉菌酸和糖脂。TMM还用作霉菌酸的转运形式，霉菌酸是Mtb外膜的关键成分。

与革兰氏阴性细菌相比，Mtb的外膜有一些差异。这些包括存在阿拉伯半乳糖结合的霉菌酸和非共价连接的脂质，这些脂质可插入到霉菌酸盐层中。值得注意的是，在霉菌酸和TDM合成过程中，海藻糖部分是通过霉菌基转移酶抗原85络合物催化在周质空间释放的。重要的问题是，是否有一个回收系统来介导释放的海藻糖的逆行运输，以便有效使用；对于不同病原体的生存，尤其是在恶劣的环境和营养不足的条件下，回收系统是否有很大不同。

海藻糖特异性转运蛋白LpqY-SugABC已在包括Mtb在内的分枝杆菌中被鉴定出来，负责将海藻糖从周质循环到细胞质。LpqY-SugABC转运蛋白和霉菌酸转运蛋白MmpL3（开发抗结核药物的药物靶标）在分枝杆菌中形成了完整的海藻糖转运回路。值得注意的是，海藻糖回收的破坏严重损害了Mtb的毒性。此外，该系统对于Mtb在人类及小鼠巨噬细胞的生长也必不可少。因此，海藻糖运输蛋白LpqY-SugABC是潜在的治疗药物靶标。然而，关于如何实现转运的分子基础尚待解决。

海藻糖转运蛋白LpqY-SugABC包含5个亚基，属于5'-三磷酸腺苷（ATP）结合盒（ABC）转运蛋白超家族。在这些转运蛋白中，功能性是由ATP水解驱动的，以允许底物转运通过膜。因此，建议LpqY-SugABC可能具有类似的机制。在LpqY-SugABC中，已经提出了两个SugC亚基形成在运输过程中结合并水解ATP的核苷酸结合域（NBD），而SugA和SugB具有螺旋跨膜结构域，形成海藻糖的易位途径。

此外，有人提出，LpqY是大肠杆菌MBP-MalFGK2中麦芽糖结合蛋白（MBP）的对应物，其功能是将海藻糖输送到转运蛋白上。也有人提出，LpqY可以控制和触发海藻糖运输所需的构象变化。与麦芽糖结合蛋白不同，LpqY是一种具有N末端脂质修饰的脂蛋白。建议该特征可以帮助其在海藻糖运输期间锚定至膜。此外，具有脂质修饰的底物结合蛋白（SBP）在革兰氏阳性细菌中无处不在，这意味着它们具有多种功能。

在这里，该研究使用单粒子冷冻电子显微镜（cryo-EM）确定了耻垢分枝杆菌（M. smegmatis）的海藻糖特异性转运蛋白LpqY-SugABC的高分辨率结构。这些结构提供了分枝杆菌如何通过使用I型ABC导入蛋白复合物将底物跨膜运输的第一个示例。在这些结构的基础上，该研究能够描述转运蛋白吸收和释放的结构基础。 此处介绍的结构大大增强了对ABC转运蛋白一般机制的理解，并有助于了解革兰氏阳性细菌中跨膜的底物转运。此外，这些发现将极大地指导海藻糖类似物作为潜在抗菌药物的设计和开发。

参考消息：

https://advances.sciencemag.org/content/6/44/eabb9833

本文转载自公众号：iNature（Plant_ihuman）

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