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工学院能源与资源工程系吴晓磊课题组在PNAS发文揭示微生物耐盐碱过程中重要转运蛋白的结构与功能机制

2020-12-02

 

能源和环境因素是人类生存和发展不可或缺的要素。自然界中,除了含盐浓度较低的淡水环境,在海洋、高盐湖泊、盐场结晶池、乃至被氯化钠饱和的地方,都能发现生命的存在。对细胞而言,环境中的高盐度可能导致非特异性的渗透效应和/或特定的胞内系统毒性,危害其生长和繁殖。为了适应这些极端环境,微生物进化了多种耐受盐碱胁迫以适应高盐碱环境生长繁殖的策略。其中,通过改变膜转运通量适应环境的策略是:微生物利用其细胞膜上的钠泵系统及ATP合酶等,泵出盐离子、泵入质子来保证细胞内Na+和H+处于相对稳定状态,维持细胞正常的生命活动。

多年来,vnsc威尼斯城官方网站能源与资源工程系吴晓磊课题组以迪茨氏属菌为模式菌株,比较系统地研究了其降解烷烃和适应环境的分子机制。迪茨氏属菌在自然界中广泛存在,分离环境复杂多样,具有较强的耐盐、耐碱的能力。通过泛基因分析和生理实验验证该属细菌具有广谱的烷烃降解能力和良好的高盐、高碱耐受能力(相关工作发表在Environmental Microbiology, DOI: https://doi.org/10.1111/1462-2920.15176)。进一步研究发现其含有一种新型钠离子/质子(Na+/H+)逆向转运蛋白、在调节胞内Na+和H+稳态过程中发挥着主要作用。钠离子/质子逆向转运蛋白Mrp(Multiple resistance and pH-related antiporter)复合物是一类多亚基跨膜蛋白,催化Na+、K+和Li+等单价阳离子的外排与质子的胞内运输反应(相关工作发表在Applied microbiology and biotechnology,DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-018-8846-3)。针对该Mrp复合物,课题组利用单颗粒冷冻电镜技术,对来源于原油采出液样品的迪茨氏属菌Dietzia sp. DQ12-45-1b的Mrp复合物结构进行了解析(整体分辨率达到3.0 ?)。根据Mrp复合物的结构,设计了多个突变体并进行了相关的功能实验分析;对可能的Na+和H+转运通路进行了验证,提出了Mrp复合物中Na+与H+逆向转运的转运模型。即在基态状态下(即目前所解析的DqMrp结构的构象),多个质子由Mrp通往胞外侧的通路进入Mrp分子内部,并结合在极性中轴线上。由于膜电位施加给质子的静电力作用,Mrp的A亚基将会由外向构象转变为内向构象,从而在关闭胞外侧通路的同时打开胞内侧通路。由于A亚基与D亚基之间的结构偶联关系,D亚基同样会完成由外向构象向内向构象的转变,并将构象能储存起来。D亚基的构象变化将使其胞内侧的通路开放,使得底物Na+能够进入Mrp分子内部并结合在极性中轴线上。由于静电相互作用,Na+将会使得D亚基的亲水核心发生转动,从而使A亚基中原本形成的离子对发生解离,降低质子结合位点的pKa值,使得质子被释放,这样一连串的信息传递使得驱动物质H+与底物Na+之间能够完成长距离上的竞争性结合。此外,鉴于Mrp复合物与呼吸链复合体I 在进化上存在一定的亲缘关系。该发现为以呼吸链复合体I 为代表的、由氧化还原反应驱动的初级主动转运蛋白中的阳离子转运机制提供了新的研究思路。


Mrp复合物整体结构及Na+/H+转运通路预测

相关工作发表在《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2006276117)。vnsc威尼斯城官方网站能源与资源工程系博士生张开端和中科院生物物理所博士生李斌是共同第一编辑,vnsc威尼斯城官方网站能源与资源工程系吴晓磊教授和中科院生物物理所张凯研究员是共同通讯编辑。上述研究得到了国家重点研发计划与国家自然科学基金的资助。

 

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