肠道微生物适应极酸性环境的结构生物学与分子机理研究

肠道微生物通过口服进入消化道，经过胃时要处于PH值1.5-2的极酸环境，氢离子大量进入细菌，威胁其生存。为了适应这种极端环境，保持细胞内正常的PH值，肠道微生物进化出了一系列的抗酸系统。这些抗酸系统通常是通过膜反向转运蛋白，交换细胞内外质子化程度不同的底物来消耗细胞内的氢离子，从而维持细胞内正常PH值。我们已经得到了大肠杆菌抗酸系统中重要膜转运蛋白AdiC不同构象的高分辨率三维结构，通过比较分析这些结构，我们对细菌抗酸性的分子机制有了初步的了解，但还有一系列的基本问题有待回答。我们计划在已有的生化和结构分析的基础上，针对上述问题，综合多种研究手段探索肠道微生物适应强酸性极端环境的分子机制，并期望在此基础上设计特异性抑制肠道病原微生物的小分子。

我的研究组一直致力于病原微生物及癌细胞抗酸系统膜转运蛋白的研究，重点项目资助期间，我们在已获得的从属于抗酸系统3的膜转运蛋白AdiC和从属于抗酸系统2的膜转运蛋白GadC的处于三种不同状态的晶体结构(Gao et al, 2009, Science; Gao et al, 2010, Nature; Ma et al, 2012, Nature)的基础上通过生化手段揭示了抗酸过程中底物跨膜运输的分子机理，提出了一个由谷氨酰胺参与的全新抗酸系统模型(Lu et al, 2013, Cell Research; Ma et al, 2013, JBC)；此外，我们还开展了针对癌细胞抗酸机制的研究(Huang et al, 2013, Cell Research)。.在对精氨酸-胍基丁胺反向膜转运蛋白AdiC的底物转运pH依赖的分子机制的研究中，我的课题组通过大量系统的生化分析首次发现并证实了决定抗酸系统3的膜转运蛋白AdiC的pH感受器，即其启动“开关”——蛋白上的第74位酪氨酸。我们通过分析AdiC蛋白的结构信息，结合体外的底物转运实验，在近一百个可能的位点上鉴定出了决定转运工作开关的这一核心氨基酸。正常的AdiC在pH降到6.5以下才开始工作，在大于pH6.5的环境下关闭转运活性；在将此氨基酸“移除”的突变体上，AdiC蛋白的转运不再受到环境酸碱度的影响，在一定酸碱度范围内处于始终有活性的状态。通过进一步研究，我们发现了第74位酪氨酸如何控制蛋白感受酸碱度变化并调节活性的分子机理，通过氨基酸残基替换的比较研究，证实了这一过程是通过正电荷-π键相互作用来实现的，这种非常规氢键的键合作用是首次在蛋白感受外界环境酸碱度的过程中被发现(Wang et al, 2014, PNAS)。.我的实验室通过相继解析出的在肠道微生物抗酸系统中起重要作用的抗酸系统II和III的反向转运蛋白AdiC和GadC处于不同转运状态的结构，在此基础上进一步研究了它们感应pH值变化的分子基础，并意外鉴定出谷氨酸glutamate在肠道微生物以及癌细胞抗酸机制中的重要作用。