基本信息
- 項目名稱：
- 尿嘧啶轉運蛋白的結構與機制
- 小類：
- 生命科學
- 大類：
- 自然科學類學術論文
- 簡介：
- 本作品通過蛋白質提純，結晶，X射線衍射解析三維結構的方法確定了UraA蛋白的2.9埃的三維結構，確定了UraA蛋白的折疊方式，并以結構為基礎，通過一系列的生化實驗結果提出了一種假說解釋UraA轉運底物的機理。第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的結構，并發(fā)現了一種全新的跨膜轉運蛋白質的折疊方式，以此為基礎提出了一種全新的理論解釋跨膜轉運蛋白轉運底物的過程。
- 詳細介紹：
- 核苷堿基(nucleobases)作為DNA、RNA的重要組成成分，是各種生物必需的分子，而維生素C則在人類健康中起著關鍵的作用，眾所周知，維生素C的攝入不足會導致壞血病。多年研究證明各種核苷堿基以及維生素C的吸收由一類跨膜轉運蛋白家族NAT（Nucleobase/Ascorbate Transporter）蛋白介導。然而一直以來生物學家們對于NAT家族蛋白完成跨膜轉運的機制并不清楚。 核苷堿基-維生素C轉運（NAT）蛋白家族，又稱為核苷堿基-陽離子同向轉運載體2（NCS2）蛋白家族，在各種生物核苷堿基攝取的生理活動中發(fā)揮著重要作用。但是很長時間以來，這一大類蛋白的三維結構信息以及其發(fā)揮生理活性的機制一直不得而知。顏寧教授率領的科研小組自建立以來即致力于對膜轉運蛋白結構，特別是營養(yǎng)物質：質子共轉運蛋白的結構與分子機理的研究，我們在2007年開始了對NAT家族蛋白的研究，首先選取了大腸桿菌尿嘧啶-質子共轉運蛋白（Uracil:proton Symporter）UraA這一該家族代表性成員作為研究對象，利用現代結構生物學的方法，終于在2010年4月首次獲得了UraA與底物尿嘧啶高達2.8埃的高分辨率三維精細結構。通過對三維晶體結構的分析，我們驚喜地發(fā)現：在擁有由14個跨膜片段形成的兩個反向重復序列的UraA蛋白中，存在著一種全新的蛋白折疊形式！在第3號和第10號跨膜片段間存在著一對反向平行的beta-折疊片，它們在蛋白結構的維持和蛋白底物的識別中發(fā)揮了重要作用。這一發(fā)現基本顛覆了一直以來對于膜整合蛋白結構的認知。過去25年的膜蛋白結構生物學研究似乎表明，膜整合蛋白的跨膜區(qū)或者只有alpha螺旋，或者只有beta折疊。唯一的例外是S2P蛋白，其在膜邊緣處還有三個beta折疊，由于是出于蛋白邊緣，還一度被專家質疑是否是由于體外結晶造成的結構變相。而UraA的結構毫無疑義地證明這alpha螺旋和beta折疊兩種蛋白二級結構可以在膜蛋白的跨膜區(qū)中同時存在，這已發(fā)現為研究膜蛋白的折疊和進化提供了重要線索。 進一步結構分析表明UraA在空間排布上呈現兩個明顯的結構域，即核心結構域和門控結構域。在已有的結構基礎上，我們通過大量的體內體外生化實驗進一步證明了該蛋白特殊結構的生理意義：蛋白底物尿嘧啶在跨膜轉運的過程中首先被準確地定位在兩個結構域之間，進而通過核心結構域和門控結構域之間的構像變化完成整個轉運過程。我還發(fā)現了在底物識別共轉運中起關鍵作用的數個氨基酸。根據序列比較，我進一步提出了NAT家族利用鈉離子或質子共轉運底物的分子機理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本作品通過蛋白質提純，結晶，X射線衍射解析三維結構的方法確定了UraA蛋白的2.9埃的三維結構，確定了UraA蛋白的折疊方式，并以結構為基礎，通過一系列的生化實驗結果提出了一種假說解釋UraA轉運底物的機理。
科學性、先進性及獨特之處
- 本作品的研究是第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的結構，并發(fā)現了一種全新的跨膜轉運蛋白質的折疊方式，以此為基礎提出了一種全新的理論解釋跨膜轉運蛋白轉運底物的過程，加深了人類對膜蛋白結構與功能的理解。
應用價值和現實意義
- 1.為人類了解NAT家族蛋白成員的結構提供了模型 2.加深了人類對跨膜轉運蛋白的理解,特別是與哺乳動物維生素C轉運蛋白同源跨膜轉運蛋白的理解
學術論文摘要
- 堿基/抗壞血酸轉運蛋白（nucleobase/ascorbate transporter (NAT)），也叫做堿基/陽離子共轉運蛋白2（nucleobase/cation symporter 2 (NCS2)），負責在自然界所有家族的生物體內的堿基的攝取以及在哺乳動物中維生素C的轉運。盡管我們已經有對細菌，酵母和哺乳動物中NAT家族成員的功能性描述，但我們仍然沒有與NAT家族相關的蛋白質的詳細的結構信息。在這里，我們報道了NAT家族中一個代表性的蛋白質的晶體結構，即大腸桿菌中尿嘧啶/氫離子共轉運蛋白UraA與尿嘧啶復合體的2.8埃的三維晶體結構。UraA有一個全新的折疊方式，它的14次跨膜區(qū)域被分為兩個反向的重疊。并且，一對反向折疊的beta折疊片位于TM3和TM10之間，并對結構組織和底物識別起到了重要作用。從空間上看，這個結構可以被劃分為為一個核心結構與和一個門控結構域。尿嘧啶處于兩個結構域的相互作用的界面上，并且主要由來自核心結構域的殘基作用。結構分析表明，底物的交替通路可能由門控結構域的構象變化實現。
獲獎情況
- 文章于2011年3月發(fā)表于國際著名期刊《nature》， 文章題目為《Structure and mechanism of the uracil transporter UraA》。
鑒定結果
- 該作品在國內外公開文獻中未見有與之相同的研究報道。
參考文獻
- 1. Saier, M. H. Jr et al. Phylogenetic characterization of novel transport protein families revealed by genome analyses. Biochim. Biophys. Acta 1422, 1–56 (1999). 2. Gournas, C., Papageorgiou, I.& Diallinas, G. The nucleobase-ascorbate transporter (NAT) family: genomics, evolution, structure-function relationships and physiological role. Mol. Biosyst. 4, 404–416 (2008). 3. Tsukaguchi, H. et al. A family of mammalian Na1-dependent L-ascorbic acid transporters. Nature 399, 70–75 (1999). 4. Wang, Y. et al. Human vitamin C (L-ascorbic acid) transporter SVCT1. Biochem. Biophys. Res. Commun. 267, 488–494 (2000). 5. Savini, I., Rossi, A., Pierro, C., Avigliano, L. & Catani, M. V. SVCT1 and SVCT2: key proteins for vitamin C uptake. Amino Acids 34, 347–355 (2008). 6. Yamamoto, S. et al. J. Biol. Chem. 285, 6522–6531 (2010).
同類課題研究水平概述
- 結構生物學研究已經經歷了半個世紀的發(fā)展，并且已經有不少結構生物學領域的工作已經獲得了諾貝爾生理學及醫(yī)學獎。通過X射線衍射解析蛋白質的三維結構，我們能夠獲得與蛋白質結構相關的具體信息，同時輔助以有效的生化實驗，三維結構能夠加深人類對蛋白質結構和功能的理解。由于蛋白質是維持生命活動的最重要的物質，加深對蛋白質的理解能夠加深人類對生命的理解，同時能夠幫助研究人員設計出更加有效的藥物。 膜蛋白占整個蛋白質組中大概三分之一，但是與可溶性蛋白相比，人類目前只獲得很少量的與膜蛋白有關的信息，而位于細胞膜上的膜轉運蛋白又是起到了非常關鍵的作用，因為它們是外界物質進入細胞的門戶，控制著與細胞活動有關物質的進出。因此，對膜轉運蛋白的理解對于了解細胞的生命活動以及相關藥物制備起到了非常關鍵的作用。近10年來，越來越多的膜轉運蛋白已經被解析，并且我們已經對部分蛋白的功能機制有了一些初步的研究。其中，很多研究集中在major facilitator superfamily(MFS)和LeuT fold上面。研究結果表明，已知結構的膜轉運蛋白共有一些特定的折疊方式，并且一些關鍵的氨基酸在不同種族的生物中是保守的。我們的工作擴展了人類對膜轉運蛋白的了解，并提出了和已知的膜轉運蛋白不同的折疊方式。這一工作使我們加深了對膜蛋白的理解，并為將來的藥物研發(fā)以及對其同源蛋白的理解打下了基礎。
