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中科院PINature子刊解析細菌脂多糖跨膜轉(zhuǎn)運機理
閱讀：438 發(fā)布時間：2017-4-13來自中科院生物物理研究所的研究人員發(fā)表了題為“Structural basis for lipopolysaccharide extraction by ABC transporter LptB2FG”的文章，解析了一種新型ABC transporter LptB2FG膜蛋白復合體的晶體結(jié)構(gòu)，初步揭示了這種新型ABC transporter從細胞膜上抽提脂多糖(lipopolysaccharide, LPS )分子的分子機制
這一研究成果公布在4月10日的Nature Structural & Molecular Biology雜志上，文章的通訊作者是生物物理所黃億華研究員，其研究組主要從事膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學研究。具體研究內(nèi)容包括兩個方面：膜蛋白的生成與蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運機理；生物膜的生成。文章的*作者是黃億華課題組博士生駱青山。
LPS又稱內(nèi)毒素，組成革蘭氏陰性細菌外膜的外小葉。脂多糖不僅是革蘭氏陰性細菌外膜的主要組成成分, 也是導致炎癥和人體天然免疫反應的主要原因。一百多年來，科學家們對細菌脂多糖在胞質(zhì)中的合成已經(jīng)有了很深入的了解，但直到二十一世紀初，美國普林斯頓大學細菌遺傳學家、美國科學院院士Thomas Silhavy 和美國哈佛大學生物化學家Daniel Kahne等發(fā)現(xiàn)，細菌脂多糖的跨膜轉(zhuǎn)運以及在外膜上的組裝由七個脂多糖轉(zhuǎn)運蛋白（LptA-G）負責完成。其中，LptB, LptF和LptG組成四聚體ABC transporter位于內(nèi)膜上，負責從內(nèi)膜外小葉抽提LPS，并通過LptC和LptA將LPS傳遞給位于外膜上的LptD-LptE復合體，zui后完成LPS插膜組裝。脂多糖為所有革蘭氏陰性細菌生存所必需, 因此對脂多糖分子轉(zhuǎn)運與組裝相關蛋白復合體的結(jié)構(gòu)和功能研究不僅可以加深對革蘭氏陰性細菌外膜的生成機制的理解，也可以為研發(fā)新型抗生素應對日益嚴峻的革蘭氏陰性細菌耐藥問題提供解決方案。
黃億華研究員課題組在2014年解析了負責脂多糖在細菌外膜上轉(zhuǎn)運和組裝的膜蛋白復合體LptD-LptE的2.4埃的高分辨率晶體結(jié)構(gòu), 初步闡明了脂多糖分子如何進入到細菌的外膜的分子機理（Nature，2014）。經(jīng)過幾年努力，又成功解析了負責從內(nèi)膜抽提LPS的新型ABC transporter LptB2FG復合體的晶體結(jié)構(gòu)。在LptB2FG復合體中，LptF和LptG各包含一個跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD），一個周質(zhì)側(cè)β-jellyroll結(jié)構(gòu)域和一個與LptB相互作用的α-螺旋。
內(nèi)膜上的LptF和LptG的跨膜結(jié)構(gòu)域形成一個較大的外向開放的“V”型凹槽，結(jié)構(gòu)分析和功能實驗初步表明LPS可能從LptF和LptG跨膜結(jié)構(gòu)域的接觸面進入“V”型凹槽，在LptB結(jié)合和水解ATP提供能量基礎上，通過構(gòu)象變化將LPS轉(zhuǎn)運到β-jellyroll結(jié)構(gòu)域中，完成LPS從內(nèi)膜的抽提過程。
這項研究通過對LptB2FG復合體結(jié)構(gòu)和功能的分析，初步揭示了這種新型的ABC transporter從內(nèi)膜抽提脂多糖分子的分子機理，并定義LptB2FG為一類Type III ABC exporter與Type I和Type II ABC exporter進行區(qū)分。
本研究組主要從事膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學研究。具體研究內(nèi)容包括兩個方面：膜蛋白的生成與蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運機理；生物膜的生成。
一、膜蛋白的生成與蛋白質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運機理
不同于胞質(zhì)中的水溶性蛋白，膜蛋白和分泌蛋白在胞質(zhì)中合成以后，必須通過位于細胞膜上特定的分子機器把新生的多肽鏈整合入膜形成新的膜蛋白或分泌到膜外以行使特定的生物學功能。革蘭氏陰性菌、線粒體和葉綠體更因為擁有雙層膜結(jié)構(gòu)而對蛋白質(zhì)的定向運輸和定位提出了挑戰(zhàn)。目前，分子遺傳學研究已經(jīng)鑒定出參與這一系列重要生物學過程的由各種膜蛋白或膜蛋白復合體所組成的分子機器。解析這些重要膜蛋白或膜蛋白復合體的高分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，并體外重建它們的功能,是理解膜蛋白生成和蛋白質(zhì)跨膜運輸機理的關鍵。
二、生物膜的生成
在地球上出現(xiàn)有生命物質(zhì)和它由簡單到復雜的長期演化過程中，生物膜的出現(xiàn)是一次飛躍，它使細胞能夠既獨立于環(huán)境而存在，又能通過生物膜與周圍環(huán)境進行有選擇的物質(zhì)交換而維持生命活動。以革蘭氏陰性細菌的細胞膜為例，其主要組份包括膜蛋白，脂蛋白，脂多糖和磷脂分子等。我們通過研究參與細胞膜重要組份生成的膜蛋白或膜蛋白復合體的結(jié)構(gòu)和功能來理解生物膜生成這一重要生物學過程，并為新型抗菌藥物的研發(fā)奠定基礎。