上海生科院PNAS解析泛酸跨膜轉運蛋白

　　12月15日，PNAS 在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所張鵬研究組題為Structure of a pantothenate transporter and implications for ECF module sharing and energy coupling of group II ECF transporters 的研究論文。該研究報道了跨膜轉運泛酸的能量耦合因子型（ECF, Energy Coupling Factor）轉運蛋白的三維結構，揭示了group II ECF轉運蛋白多個底物結合蛋白S共享ECF模塊的分子機理。

　　泛酸俗稱維生素B5，是生物體中輔酶A合成的前體，是人和動物體維持正常生理功能不可缺少的微量營養素，食物中泛酸的含量豐富。ECF類轉運蛋白復合體的功能為跨細胞膜轉運包括泛酸、葉酸在內的多種B族維生素和微量元素，存在于多種生物體中。該復合體由細胞膜上底物結合蛋白S和由膜結合蛋白T、胞內ATP結合蛋白A/A’組成的負責能量偶聯的ECF模塊構成。ECF轉運蛋白分為ECF模塊專用型(group I)和共享型(group II)兩類：前者每一種S蛋白均有各自特定的ECF模塊；后者幾種不同的S蛋白共享一套ECF模塊。ECF轉運蛋白的三維結構和跨膜轉運的分子機理一直都不清楚。

    在之前的研究工作中，張鵬課題組解析了葉酸ECF轉運蛋白復合體面向細胞內構象的晶體結構，使人們清楚地看到了ECF復合體的三維架構和各組分的作用方式（Xu et al; Nature, 2013）；并據此提出了ECF轉運蛋白的工作模型：即底物轉運很可能通過S蛋白在膜內的翻轉來實現（Zhang et al; Trends Microbio, 2013）。然而，人們對ECF模塊共享、底物轉運等過程的分子機制并不了解。

　　在該項工作中，張敏華博士和博士生鮑志浩等人在張鵬研究員的指導下，通過解析與葉酸ECF轉運蛋白同物種來源的泛酸ECF轉運蛋白的結構，以及一系列比較分析和功能實驗，揭示了泛酸在轉運復合體中S蛋白PanT上的結合位點，以及group II ECF轉運蛋白多個底物結合蛋白S共享ECF模塊的分子機理：S蛋白上存在一個由跨膜螺旋1、2、6（SM1/2/6）組成的疏水面，不同S蛋白通過這一疏水面與同一T蛋白的CH2/3螺旋（Coupling Helix 2/3）相互作用；T蛋白作為一個介導S蛋白與A/A’蛋白相互作用并傳遞構象改變的“腳手架”蛋白，自身構象在不同復合體中呈現動態變化，從而保證了其與不同S蛋白的結合。這一研究工作使人們對ECF轉運蛋白跨膜轉運維生素的過程有了更深入的了解。

　　該研究得到了國家自然科學基金委、科技部、上海市和中科院的資助。感謝上海光源BL17U線站在實驗數據收集中的支持與幫助。

 

（a）ECF轉運蛋白復合體多個底物結合蛋白S共用一套ECF模塊(Group II)；（b）互補實驗證明LbECF-PanT轉運泛酸的能力；（c）泛酸ECF轉運蛋白LbECF-PanT的晶體結構（四個組分分別是PanT/S、EcfT/T、EcfA/A、EcfA’/A’）；（d）不同S蛋白通過SM1/2/6(a1/2/6)組成的疏水面與同一T蛋白的CH2/3相互作用。

原文摘要：

Structure of a pantothenate transporter and implications for ECF module sharing and energy coupling of group II ECF transporters

Energy-coupling factor (ECF) transporters are a unique group of ATP-binding cassette (ABC) transporters responsible for micronutrient uptake from the environment. Each ECF transporter is composed of an S component (or EcfS protein) and T/A/A′ components (or EcfT/A/A′ proteins; ECF module). Among the group II ECF transporters, several EcfS proteins share one ECF module; however, the underlying mechanism remains unknown. Here we report the structure of a group II ECF transporterCpantothenate transporter from Lactobacillus brevis (LbECF-PanT), which shares the ECF module with the folate and hydroxymethylpyrimidine transporters (LbECF-FolT and LbECF-HmpT). Structural and mutational analyses revealed the residues constituting the pantothenate-binding pocket. We found that although the three EcfS proteins PanT, FolT, and HmpT are dissimilar in sequence, they share a common surface area composed of the transmembrane helices 1/2/6 (SM1/2/6) to interact with the coupling helices 2/3 (CH2/3) of the same EcfT. CH2 interacts mainly with SM1 via hydrophobic interactions, which may modulate the sliding movement of EcfS. CH3 binds to a hydrophobic surface groove formed by SM1, SM2, and SM6, which may transmit the conformational changes from EcfA/A′ to EcfS. We also found that the residues at the intermolecular surfaces in LbECF-PanT are essential for transporter activity, and that these residues may mediate intermolecular conformational transmission and/or affect transporter complex stability. In addition, we found that the structure of EcfT is conformationally dynamic, which supports its function as a scaffold to mediate the interaction of the ECF module with various EcfS proteins to form different transporter complexes.