ECF型转运蛋白的结构与转运机制

ECF型转运蛋白的结构与转运机制

唐玮蔚刘美玲汤婷*

长沙医学院生物化学与分子生物学教研室410219

ABC（ATPBindingCassette）转运蛋白是广泛存在于生物体中的一类转运蛋白家族，其主要功能是利用水解ATP释放的能量，转运溶质中小分子化合物。其转运的底物包括：氨基酸，金属离子，多肽及药物等[1-2]。典型的ABC转运蛋白由两个跨膜结构域（TransmembraneDomains,TMDs）及两个ATP水解酶（ATPase）结构域构成，ATPase结构域又称核苷酸结合结构域（NucleotideBindingDomain,NBDs）。TMDs给底物提供跨膜的转运通道，而NBDs则给转运系统提供能量。除此之外，ABC转运复合体中还有一个可溶性蛋白或膜锚定蛋白，负责结合底物（solute-bindingprotein,SBP）。ABC转运蛋白转运底物的最基本特征是，ATP结合到NBDs而引发ATP水解，整个过程与TMDs的构象变化相偶联。在静息状态下，也就是ATP未结合的状态，两个TMDs分开并且呈微微张开状态。一旦ATP结合NBDs的核苷酸结合位点，两个NBDs相互靠拢，形成紧密结合的二聚体，这一构象变化引发TMD朝向性变化，由内变为往外，或由外变为往内。在这一过程中，溶质分子发生转位，随着AMP及无机磷酸的释放，ABC转运复合体又回到静息状态[3]。

能量耦合因子（EnergyCouplingFactor,ECF）转运蛋白是一类新发现的隶属于ABC转运蛋白超家族的转运蛋白，它们广泛存在于原核细菌及古生菌中，主要负责维生素前体物质、维生素以及过渡态金属离子的转运吸收[4]。ECF转运复合体由底物结合蛋白S成员（Scomponent）和ECF模体（module）构成。底物结合蛋白通常为完整跨膜蛋白，而ECF模体由两个相同的或同源的核苷酸结合蛋白A或A’成员（A,orA’component）以及跨膜蛋白T成员（Tcomponent）构成[4-6]。尽管ECF转运蛋白和经典的ABC转运蛋白结构有一定的相似性，但S成员和SBP的差异性，让我们有理由相信，ECF型转运蛋白作为一类新型的ABC转运蛋白，具有独一无二的结构和功能特征，它的结构和转运机制研究也能为抗生素的开发开辟一条新的思路。

1.ECF转运蛋白的结构

ECF转运蛋白根据编码ECF模体和S成员的基因在基因组的相对位置而被分为两大类[6]。这两类ECF转运蛋白都利用A，A’及T成员构成的ECF模体来为底物的转运提供能量。在第一类ECF转运蛋白中，这四个成员的编码基因位于同一基因簇上，四个蛋白组分构成一个转运专一底物的复合体，荚膜红细菌中的生物素转运蛋白即属于这一类ECF转运蛋白[8]。而对于第二类ECF转运蛋白，编码ECF模体的基因位于同一基因簇上，编码底物结合蛋白的基因则分散在基因组中。第二类ECF转运蛋白中具有底物结合特异性的S成员被认为共享一个ECF模体，不同的S成员竞争性地结合同一ECF模体[8-9]。

因为ECF转运蛋白的独特的结构特征，研究者们做了大量工作试图去揭示EC

[

]转运蛋白进行物质跨膜转运的分子机制。截至目前为止，有四个S成员的结构以底物结合的形式被解析，它们是金黄色葡萄球菌的维生素B2结合蛋白RibU，乳酸乳球菌的维生素B1结合蛋白ThiT，乳酸乳球菌的生物素结合蛋白[]BioY，嗜热厌氧菌的Ni2+结合蛋白NikM2[6,10-12]。尽管这些S成员的序列同源性很低（~15%），但是这些S成员蛋白都具有六次跨膜的核心，且能以高亲和力结合底物[13]。S成员的第1-3个跨膜结构域（TM1-3）能与T成员相互作用，而第4-6个跨膜结构域（TM4-6）则被认为与底物识别和结合有关[11]。此外，有三个完整的第二类ECF转运蛋白复合体的结构被解析，它们都来自于短乳杆菌，每一个复合体结构都包含相同的ECF模体，但是S成员的结构各不相同，这些S成员分别是ECF-FolT，ECF-HmpT和ECF-PanT。ECF复合体中各成员以1:1:1:1的化学计量比结合，即ECF转运蛋白复合体由一分子A成员，一分子A’成员，一分子T成员以及一分子S成员构成[14-16]。这些复合体结构的解析使得我们对于阐释第二类ECF转运蛋白的转运机制和共享ECF模体的机制又更近了一步。

2.ECF转运蛋白的作用机制

根据已解析的ECF转运蛋白复合体和S成员的结构，一个通过S成员在脂质

双层结构上交替进行翻转来实现ECF转运蛋白跨膜转运物质的模型得到广泛认可。在静息状态下，完全跨膜的S成员的底物结合位点朝向细胞膜内[8]，ATP与具有ATP酶活性的A或A’成员的结合引起T成员的构象变化，T成员构象变化进一步引起S成员向细胞膜外的翻转，使得S成员能够捕获细胞膜外的维生素或其他微量营养物质[16]。而ATP的水解使得S成员与ECF模体解离，这给其它S成员竞争性结合ECF模体提供一个平台[8-9]。与底物结合的游离的S成员此时在细胞膜上发生翻转，即由朝向细胞膜外的构象翻转为向细胞膜内或与细胞膜平行的构象，发生翻转的S成员再一次与ECF模体以疏水作用力相互作用，这种作用力导致S成员与底物的结合被打破，释放底物进入细胞质内[17]。尽管仍然缺乏生物化学的数据来支持这一“翻转”模型，但是已经目前发表的ECF转运蛋白复合体结构的数据与这一猜想仍然是相符合的[5,18-19]。

3.结语

尽管目前对ECF转运蛋白的研究取得了一定进展，但对其各个成员的功能及

结构的了解仍十分有限。在ECF转运蛋白复合体中，T成员究竟扮演什么样的角色，S成员与T成员之间究竟怎样进行信号的传递，S成员是否能够独立完成底物的转运，这四个组分是通过什么样的机制进行组装以及实现物质的跨膜转运，这些问题仍然需要我们解决。我们仍然需要晶体结构、生物化学方面的数据以及其他手段获得的成果来验证和补充现有的我们对ECF转运蛋白的了解。ECF转运蛋白，以其作为一类新发现的ABC转运蛋白，在众多人类病原菌如李斯特菌，链球菌，金黄色葡萄球菌中扮演的可能的唯一转运维生素及其前体物质的角色，对于研发新型抗生素具有重大的理论指导意义和现实应用的价值。

参考文献：

[1]DavidsonAL,ChenJ.ATP-BindingCassetteTransportersinBacteria[J].AnnualReviewofBiochemistry,2004,73(1):241-268.

[2]GottesmanMM,AmbudkarSV.Overview:ABCTransportersandHumanDisease[J].JournalofBioenergetics&Biomembranes,2001,33(6):453-458.

[3]BeisK.StructuralbasisforthemechanismofABCtransporters.[J].BiochemicalSocietyTransactions,2015,43(5):889.

[4]RodionovDA,HebbelnP,EudesA,etal.ANovelClassofModularTransportersforVitaminsinProkaryotes[J].JournalofBacteriology,2009,191(1):42.

[5]TerBeekJ,DuurkensRH,ErkensGB,etal.QuaternaryStructureandFunctionalUnitofEnergyCouplingFactor(ECF)-typeTransporters[J].JournalofBiologicalChemistry,2011,286(7):5471-5475.

[6]ErkensGB,MajsnerowskaM,TerBeekJ,etal.EnergyCouplingFactor-TypeABCTransportersforVitaminUptakeinProkaryotes[J].Biochemistry,2012,51(22):4390-4396.

[7]HebbelnP,RodionovDA,AlfandegaA,etal.BiotinuptakeinprokaryotesbysolutetransporterswithanoptionalATP-bindingcassette-containingmodule[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2007,104(8):2909-2914.

[8]KarpowichNK,SongJM,CoccoN,etal.ATPbindingdrivessubstratecaptureinanECFtransporterbyarelease-and-catchmechanism[J].NatureStructural&MolecularBiology,2015,22(7):565-571.

[9]CompetitionbetweenDifferentSComponentsfortheSharedEnergyCouplingFactorModuleinEnergyCouplingFactorTransporters[J].Biochemistry:-.

[10]ZhangP,WangJ,ShiY.StructureandmechanismoftheScomponentofabacterialECFtransporter[J].Nature,2010,468(7324):717-720.

[11]BerntssonRP,TerBJ,MajsnerowskaM,etal.StructuralpergenceofparalogousScomponentsfromECF-typeABCtransporters[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2012,109(35):13990-13995.

[12]YuY,ZhouM,KirschF,etal.Planarsubstrate-bindingsitedictatesthespecificityofECF-typenickel/cobalttransporters[J].CellResearch,2014,24(3):267-277.

[13]Zhang,Peng.Structureandmechanismofenergy-couplingfactortransporters[J].TrendsinMicrobiology,2013,21(12):652-659.

[14]XuK,ZhangM,ZhaoQ,etal.Crystalstructureofafolateenergy-couplingfactortransporterfromLactobacillusbrevis[J].Nature,2013,497(7448):268-271.

[15]WangT,FuG,PanX,etal.Structureofabacterialenergy-couplingfactortransporter[J].ScienceFoundationinChina,2014,497(1):20-20.

[16]ZhangM,BaoZ,ZhaoQ,etal.StructureofapantothenatetransporterandimplicationsforECFmodulesharingandenergycouplingofgroupIIECFtransporters[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2014,111(52):18560-18565.

[17]SwierLJYM,GuskovA,SlotboomDJ.Structuralinsightinthetopplingmechanismofanenergy-couplingfactortransporter[J].NatureCommunications,2016,7:11072.

[18]ErkensGB,BerntssonPA,FulyaniF,etal.ThestructuralbasisofmodularityinECF-typeABCtransporters[J].NatureStructural&MolecularBiology,2011,18(7):755-760.

[19]NeubauerO,ReifflerC,BehrendtL,etal.InteractionsamongtheAandTUnitsofanECF-TypeBiotinTransporterAnalyzedbySite-SpecificCrosslinking[J].PLOSONE,2011,6.

[20]KarpowichNK,WangDN.AssemblyandmechanismofagroupIIECFtransporter[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2013,110(7):2534-2539.