單突變嚴(yán)重影響細(xì)菌轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

最近，在《eLife》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)某個(gè)細(xì)菌蛋白進(jìn)行單個(gè)氨基酸突變，會(huì)改變其結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而揭示了復(fù)雜基因進(jìn)化的影響。這項(xiàng)以大腸桿菌為對(duì)象的研究可以幫助人們更好地理解轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的進(jìn)化及其在耐藥性中的作用。

紐約大學(xué)化學(xué)系副教授，該研究的資深作者Nate Traaseth說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)微小的突變對(duì)于轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能十分重要。”

細(xì)胞膜是保護(hù)細(xì)胞內(nèi)部不受外界環(huán)境的影響的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白位于細(xì)胞膜中，它能夠調(diào)控物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的過(guò)程。這些轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通過(guò)在細(xì)胞膜一側(cè)裝載貨物，然后通過(guò)改變其結(jié)構(gòu)在另一側(cè)釋放，從而主動(dòng)地使物質(zhì)在細(xì)胞膜兩側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)。

此前研究表明，膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通常由多個(gè)重復(fù)元件組成。在復(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的遺傳序列融合在一起，成為編碼該蛋白質(zhì)的基因。研究者們認(rèn)為，這種重復(fù)的模式是由分子量較小的膜蛋白基因演化而來(lái)，并通過(guò)復(fù)制融合在一起。然而，研究者們一直不清楚從單個(gè)融合基因產(chǎn)生更復(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是否具有進(jìn)化優(yōu)勢(shì)？

為了對(duì)此進(jìn)行調(diào)查，紐約大學(xué)化學(xué)系的Traaseth及其同事Maureen Leninger和Ampon（Callie）Sae Her研究了一種在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。某些大腸桿菌菌株可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重疾病的發(fā)生，并且它們對(duì)抗生素的抵抗力越來(lái)越強(qiáng)。究其原因，是由于細(xì)菌膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白EmrE能夠?qū)ⅰ坝卸尽被衔镏鲃?dòng)排出。

已知EmrE由兩個(gè)相同的蛋白質(zhì)亞基組成，實(shí)驗(yàn)表明，改變兩個(gè)蛋白質(zhì)亞基之一中的單個(gè)氨基酸（構(gòu)成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元），使其彼此產(chǎn)生微小差異，能夠顯著改變轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。

這種平衡的打破會(huì)改變轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白從大腸桿菌中去除有毒化學(xué)物質(zhì)的能力，并降低細(xì)菌對(duì)藥物的抗藥性。總之，該研究可能對(duì)藥物開(kāi)發(fā)和抗藥性研究產(chǎn)生影響。

Traaseth說(shuō)：“盡管這些發(fā)現(xiàn)的臨床應(yīng)用距離我們只有幾步之遙，但了解藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的進(jìn)化使我們對(duì)細(xì)菌如何通過(guò)突變產(chǎn)生耐藥性有了新的認(rèn)識(shí)。”