能量耦合因子转运蛋白结构与功能的研究

Energy-coupling factor (ECF) transporters are a recently discovered novel class of importers of micronutrients in prokaryotes. They are composed of a conserved energy-coupling module consisting of a transmembrane protein (T component) and pairs of ATP-binding cassette-containing proteins (A and A’ proteins), as well as a membrane protein S unit (S component) through which substrate specificity is conveyed. ECF transporters form numerous families that are diverse in structure, energy-coupling mechanisms, and substrate specificities. In 2013, the resting state conformation crystal structure of HmpT ECF transporter was reported in Nature by our team. Base on the ECF transporter complex structure and six crystal structures of EcfS components, we have a few information about how the S component interacts with the energy–coupling module or how ATP hydrolysis by the A component facilitates the transport of substrate. In order to further address these fundamental questions in the mechanistic understanding of the transporters, in this study, we are planning to investigate the characterization of the substrate-specific EcfS component and the substrate binding conformation of the complex ECF transport. Further biochemical and structural studies of these objectives will now be necessary for full understanding of the novel transporters.

近年来，一类新型的重要的运输因子—能量耦合因子ECF转运蛋白，被成功地鉴定显示在原核生物中负责维生素或其它微量营养元素的摄入。这类ECF 转运蛋白都包含一个能单独结合特异性底物的跨膜蛋白S 组分，并与两个ATP结合蛋白A 及A’组分及一个能量耦合跨膜蛋白T 组分形成完整的运输复合物，执行对特异性底物分子跨膜转运的功能。2013年，本课题组成功解析了ECF转运家族Group II蛋白成员HmpT ECF transporter四聚体复合物静息态构象的晶体结构，在《Nature》上首次报道了该蛋白复合物的工作分子机制。此次申请依托清华大学医学院，拟使用生物化学及结构生物学技术，进一步深入对包括EcfS 组分底物结合构象以及ECF转运蛋白结合核酸或底物不同构象等结构与功能进行针对性的研究，期望能真正地阐述ECF 转运系统结合特异性底物在跨膜转运的分子机制。

本课题研究重点将集中于近年来新鉴定的一类重要跨膜转运载体—能量耦合因子转运蛋白，其功能是负责摄取细菌生长的各种维生素或其它微量营养元素。本课题2015年自获国家自然科学青年基金资助以来，取得了一系列重要进展。本课题组曾在2013年于《自然》杂志报道了HmpT的高分辨率分子结构 (参见 Wang, T. et al. Nature 2013, 497, 272-6)，提出了全新的HmpT蛋白转运机理。2015年，本课题组通过分子动力学计算机模拟和高分辨质谱分析等实验方法，首次确定维生素B6的前体化合物吡哆胺为HmpT的转用底物。本研究工作于7月14日作为Featured Article发表在了 《自然》出版集团的最新子刊《细胞发现》上，标题为《吡哆胺是能量耦合因子转运蛋白HmpT的酶促底物》，本研究的成果为理解维生素B6在HmpT的转运过程中的作用机制具有重要的理论意义；也为新一代抗生素药物的开发提供了科学的指导意义。此外，响应性的水凝胶在可控的药物传输，再生医学，传感器等方面具有巨大的潜力。通过pH能够改变宏观大小的蛋白质水凝胶可以用于传感器和药物可控传输，酶响应的蛋白质水凝胶可以用于细胞的三维培养和组织工程。由于光照射的高通用性和时空可控性，光响应的水凝胶在干细胞的分化，药物控释等方面具有很好的应用前景。然而，我们都知道，迄今为止还没有一种光响应性的蛋白用于水凝胶的形成。本课题研究中，我们首次引入了光响应的蛋白用于水凝胶的形成。这种光控的胶体-溶液间的相互转化可以应用于蛋白传输和细胞分离。我们设想这样的生物共轭体和纳米纤维在病原体的选择检测和响应性纳米材料的准备中将发挥重大作用。课题成果于2015年8月29日发表于国际高水平学术期刊《Nanoscale》，影响因子为7.394。