清華顏寧小組《自然》論文揭示巖藻糖轉運蛋白結構與功能

日期：2010-09-28 16:47:16

9月27日，清華大學醫學院教授顏寧領導的研究組與生命學院王佳偉博士、龔海鵬博士合作在《自然》在線發表論文，報道大腸桿菌巖藻糖（L-fucose）轉運蛋白（FucP）結構與功能的研究。

FucP從屬于Major Facilitator Superfamily (MFS)超家族。MFS超家族轉運蛋白是一類非常古老、在各個物種中都起著重要作用的轉運蛋白，目前已知一級序列的家族成員超過一萬個，它們在營養物質和代謝產物的轉運、細菌抗藥性以及神經信號傳導等各種生理過程中起著重要作用。由于MFS轉運蛋白的重要生理功能，它們的結構與功能受到了廣泛的關注。然而迄今為止，這個家族中只有三個蛋白的結構被報道，并且觀測到的僅有向胞內開放與兩端封閉兩種構象。一直以來，為了證明最基本的轉運原理適用于MFS家族，本領域迫切希望獲得向胞外開放的MFS轉運蛋白的構象。

為理解MFS蛋白的工作機理，顏寧研究組選擇了糖轉運蛋白的代表FucP作為研究對象， FucP是一類依賴于質子梯度的同向共轉運蛋白（Proton Symporter），具有高度的底物特異性。清華大學兩位本科生黨尚宇、孫林峰同學從三年級暑假開始著手研究該蛋白的結構與功能，經過一年半的探索，終于在2009年秋獲得了FucP在3.1埃分辨率的晶體結構。此結構顯示FucP處于向胞外開放的構象，這是第一個MFS家族的此類結構，原則上證明了MFS家族兩個構象互變以轉運底物的猜想。FucP分為N和C兩個結構域，轉運通道一目了然。非常有意思的是，N domain朝向轉運通道一側的表面電勢主要為負電性，而C domain的表面則主要為疏水性和正電性。得到蛋白結構以后，在黃永鑒等同學的大力幫助下，他們又經過近半年的生物化學研究，揭示了FucP在底物識別和轉運，以及質子傳遞偶聯過程中起關鍵作用的殘基D46和E135。這些研究顯示，FucP與LacY存在著不同的質子傳遞機理，為理解MFS家族提供了一個新的重要研究系統。

膜蛋白的結構生物學研究一直以來是結構生物學領域公認的重點及難點。1985年，第一個膜蛋白結構問世，當時共計僅有不到200個生物大分子結構。而時至今日，PDB收錄的近7萬個生物大分子結構中，膜蛋白結構不到700個，其中新型的膜蛋白結構又只有250多個（Membrane Proteins of Known 3D Structure），足見膜蛋白結構生物學研究的困難。清華大學結構生物學中心在過去兩年間相繼報道了3個新型膜蛋白的4個晶體結構，由于其創新性和重要性，四篇學術論文全部發表于《自然》或《科學》，為我國的膜蛋白結構生物學研究作出了重要貢獻，其成果在國際結構生物學領域獲得了充分關注。