清華生命學(xué)院楊茂君研究組在Cell Research上發(fā)表學(xué)術(shù)論文
闡明生物體攝取鎳鈷等金屬離子的機(jī)制
清華新聞網(wǎng)12月25日電 12月24日，清華大學(xué)生命學(xué)院楊茂君研究組在《自然》系列雜志《細(xì)胞研究（Cell Research）》上在線(xiàn)發(fā)表學(xué)術(shù)論文《底物平面結(jié)合位點(diǎn)決定了鎳/鈷能量耦合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的底物特異性》（Planar substrate binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/cobalt transporters）。文章首次報(bào)道了鎳/鈷轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體中底物識(shí)別蛋白NikM的高分辨晶體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、生物物理學(xué)，量子化學(xué)及計(jì)算生物學(xué)等手段系統(tǒng)地闡明了此類(lèi)蛋白質(zhì)復(fù)合物家族在底物識(shí)別及轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程的分子機(jī)制，為理解微生物在維生素B12的合成過(guò)程中鈷離子的攝取提供了新的視點(diǎn)。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊茂君為本論文的通訊作者，清華-北大-NIBS（北京生命研究所）三校聯(lián)合二年級(jí)研究生于游為第一作者。
圖：NikM底物識(shí)別機(jī)制
A：金屬離子平面四配位結(jié)合位點(diǎn)
B：金屬離子平面四配位結(jié)合位點(diǎn)所形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)
C：XANES試驗(yàn)揭示在溶液中NikM以平面四配位結(jié)合方式結(jié)合鎳離子
D：離子結(jié)合關(guān)鍵氨基酸的突變影響鎳離子同位素被細(xì)胞攝取
從環(huán)境中吸收痕量存在的鎳/鈷離子對(duì)微生物的存活至關(guān)重要，已知ECF（energy coupling factor能量耦合因子）轉(zhuǎn)運(yùn)體是分布最廣的鎳/鈷離子的主動(dòng)運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)體。ECF可從底物類(lèi)別上可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是維生素類(lèi)ECF轉(zhuǎn)運(yùn)體，其底物識(shí)別蛋白可以特異性的結(jié)合相對(duì)應(yīng)的維生素。另一類(lèi)是離子類(lèi)ECF轉(zhuǎn)運(yùn)體，其底物識(shí)別蛋白可以特異性識(shí)別相對(duì)應(yīng)的金屬離子。現(xiàn)已知有多個(gè)維生素類(lèi)ECF底物識(shí)別蛋白的結(jié)構(gòu)得以解析，相關(guān)識(shí)別和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制也研究的比較清楚。但是，目前為止，還沒(méi)有離子類(lèi)ECF底物識(shí)別蛋白的結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)，其特異性識(shí)別鎳/鈷離子的分子機(jī)制也亟待闡明。
楊茂君研究組通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段，解析了第一個(gè)離子類(lèi)ECF轉(zhuǎn)運(yùn)體底物結(jié)合蛋白NikM的1.83埃的分子結(jié)構(gòu)，從原子水平上闡釋了NikM特異性識(shí)別鎳/鈷離子的機(jī)理。分子結(jié)構(gòu)提示NikM的N端九個(gè)氨基酸形成的loop區(qū)對(duì)其特異性的識(shí)別鎳/鈷離子具有至關(guān)重要的作用，此loop區(qū)可與周?chē)被嵝纬闪擞蟹较蛐缘臍滏I網(wǎng)絡(luò)，以穩(wěn)定結(jié)合鎳/鈷離子時(shí)的分子構(gòu)象，同時(shí)Met1，His2和His67直接參與了鎳/鈷的結(jié)合，形成了平面四配位底物結(jié)合位點(diǎn)（圖A，B）。體外XANES（X射線(xiàn)吸收近邊結(jié)構(gòu)）實(shí)驗(yàn)揭示了即使在溶液狀態(tài)下，NikM也是通過(guò)平面四配位的底物結(jié)合位點(diǎn)識(shí)別鎳/鈷離子（圖C）。放射性同位素Ni63標(biāo)記的體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)闡明，N端loop區(qū)的氫鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)鎳/鈷的轉(zhuǎn)運(yùn)活性具有必不可少的作用（圖D）。基于高分辨率結(jié)構(gòu)的量子化學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)NikM對(duì)存在3d軌道雜化的過(guò)渡金屬離子具有更強(qiáng)的結(jié)合能力，且其中以鎳和鈷最強(qiáng)，進(jìn)而提出了NikM的底物如何被特異性識(shí)別的機(jī)制。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士研究生周明澤，張麗及化學(xué)系許聰俏同學(xué)也參與了該研究工作。德國(guó)柏林洪堡大學(xué)的Thomas Eitinger教授以及清華大學(xué)化學(xué)系李雋教授為本文共同通訊作者。上海同步輻射光源姜政研究員實(shí)驗(yàn)室成員也參與了該項(xiàng)研究。
楊茂君研究組從2010年起，針對(duì)鎳/鈷等過(guò)渡金屬離子的轉(zhuǎn)運(yùn)做了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和生化研究。并于2013年10月在《Protein & Cell》上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文“Structural basis for a homodimeric ATPase subunit of an ECF transporter.”（一類(lèi)能量耦合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ATPase同源二聚體的結(jié)構(gòu)研究）。首次發(fā)現(xiàn)離子類(lèi)ECF的ATP結(jié)合蛋白存在同源二聚并可能受到維生素B12合成過(guò)程中間產(chǎn)物調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，為鎳/鈷離子的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的研究提供了重要線(xiàn)索。
上海同步輻射光源(SSRF)BL17U1，BL14W1和北京同步輻射光源（BSRF）4W1B等線(xiàn)站為數(shù)據(jù)收集提供了及時(shí)有效的支持。該系列研究獲得科技部重大研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目及清華-北大生命聯(lián)合中心的支持。
供稿：生命學(xué)院 編輯：范 麗
