蛋白質(zhì)動力學(xué)分子機器在工作

來自慕尼黑Ludwig-Maximilians-Universitaet(LMU)的研究人員使用一種特殊的基于熒光的成像技術(shù)來跟蹤細胞膜中的孔蛋白將分子輸出到細胞外介質(zhì)時發(fā)生的形狀變化。

生物細胞可以被認(rèn)為是蜂巢，其中蛋白質(zhì)是工蜂。然而，蛋白質(zhì)更通用，可以相互作用形成分子機器。為了理解其功能多樣性的基礎(chǔ)機制，結(jié)構(gòu)生物學(xué)家主要依靠對結(jié)晶后三維結(jié)構(gòu)的分析。

然而，蛋白質(zhì)晶體提供基本上靜態(tài)的圖像。“所以這種方法本身就不夠用，”LMU物理與合成生物學(xué)教授Thorben Cordes說。“我們需要了解分子運動和蛋白質(zhì)在運作過程中發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化。” Cordes和他的研究小組專注于尋找可視化蛋白質(zhì)動力學(xué)的方法。他們與倫敦帝國理工學(xué)院和格羅寧根大學(xué)的團隊合作，描述了一類膜整合轉(zhuǎn)運蛋白中發(fā)生的構(gòu)象變化。新發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在EMBO期刊上。

研究人員專注于所謂的ABC轉(zhuǎn)運蛋白，這是一種參與許多細胞過程的必需膜蛋白，包括營養(yǎng)攝取，解毒和免疫反應(yīng)。所有ABC運輸車都由兩個模塊組成。嵌入膜中的跨膜結(jié)構(gòu)域形成孔，基質(zhì)通過該孔從細胞輸出。細胞內(nèi)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域負責(zé)提供所需的能量 - 它通過結(jié)合和分解ATP(細胞的主要化學(xué)能載體)來完成。

為了確定ABC轉(zhuǎn)運蛋白如何實際將膜底物分配到膜上，Cordes及其同事使用了最近標(biāo)準(zhǔn)化的單分子FRET方法。該技術(shù)基于以下事實：當(dāng)不同的熒光染料化學(xué)連接，特異性地位于相互作用的分子或結(jié)構(gòu)域時，熒光信號隨著它們之間的距離而變化(由于熒光共振能量轉(zhuǎn)移)。這些變化可以用敏感顯微鏡測量，允許人們監(jiān)測構(gòu)象結(jié)構(gòu)的變化和不同蛋白質(zhì)亞基之間的結(jié)合相互作用。

“通過這種方式，我們能夠證明底物跨膜轉(zhuǎn)運需要ABC 蛋白構(gòu)象的重大變化，”Cordes說。轉(zhuǎn)運蛋白的兩個模塊可以以開放或閉合構(gòu)象存在。在操作循環(huán)開始時，核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域向內(nèi)開放。然后ATP分子的結(jié)合觸發(fā)該模塊的閉合。如果 - 并且僅當(dāng)?shù)孜镆呀?jīng)存在于由跨膜結(jié)構(gòu)域形成的孔中時，跨膜結(jié)構(gòu)域采用開放構(gòu)象，將底物釋放到培養(yǎng)基中，然后關(guān)閉。然后才結(jié)合ATP水解，釋放的能量用于恢復(fù)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域的開放構(gòu)型。

這項新研究的作者希望單分子FRET將成為進一步研究ABC轉(zhuǎn)運蛋白的首選方法。“這類轉(zhuǎn)運蛋白也參與了許多嚴(yán)重疾病的發(fā)病機制，包括囊性纖維化以及抗癌藥物，”Cordes解釋說。“因此，更好地了解他們的運輸周期可以開辟新的治療機會。”

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