麻省理工学院化学家发现将有毒分子泵出细菌细胞的蛋白质结构

麻省理工学院化学教授Mei Hong说，对这种详细结构的了解可能使我们有可能设计出能够阻断这些运输蛋白的药物，并帮助耐药性细菌对现有抗生素重新变得敏感。他表示："知道这种蛋白质的药物结合口袋的结构，人们可能会尝试设计这些底物的竞争者，这样就可以阻断结合部位，防止蛋白质从细胞中清除抗生素。"

麻省理工学院的研究生Alexander Shcherbakov是这项研究的主要作者，该论文今天刊登在《自然通讯》上。该研究团队还包括麻省理工学院的研究生Aurelio Dregni和威斯康星大学麦迪逊分校的两名研究人员：研究生Peyton Spreacker和生物化学教授Katherine Henzler-Wildman。

通过细胞膜将药物泵出是细菌可以用来逃避抗生素的许多策略之一。几年来，威斯康星大学的Henzler-Wildman小组一直在研究一种名为EmrE的膜结合蛋白，它可以运输许多不同的有毒分子，包括除草剂和抗菌化合物。

EmrE属于一个叫做小型多药耐药性（SMR）运输器的蛋白质家族。尽管EmrE没有直接参与抗生素的抗性，但该家族的其他成员已经在结核分枝杆菌和鲍曼不动杆菌的耐药形式中被发现。

"SMR转运体在蛋白质的关键区域具有高度的序列一致性。"Henzler-Wildman说："EmrE是迄今为止研究得最好的家族成员，无论是在体外还是在体内，这使得它成为研究支持SMR活性的结构的理想模型系统。"

几年前，Hong的实验室开发了一种技术，使研究人员能够使用核磁共振来测量蛋白质中氟探针和氢原子之间的距离。这使得确定蛋白质的结构成为可能，因为它与一个含有氟的分子结合。

在Hong在一次会议上发表了关于这项新技术的演讲后，Henzler-Wildman建议他们合作研究EmrE。她的实验室已经花了很多年时间研究EmrE如何在磷脂膜上运输一种类似药物的分子，或配体。这种配体被称为F4-TPP+，是一个四面体分子，上面附着四个氟原子，每个角都有一个。

利用这种配体和Hong的新核磁共振技术，研究人员着手确定EmrE的原子分辨率结构。人们已经知道，每个EmrE分子包含四个大致平行的跨膜螺旋。两个EmrE分子组装成一个二聚体，因此八个跨膜螺旋形成内壁，当配体在通道中移动时与之相互作用。以前的研究揭示了螺旋的整体拓扑结构，但没有揭示延伸到通道内部的蛋白质侧链，这些侧链就像抓住配体的手臂，帮助引导它通过通道。

EmrE将有毒分子从pH值为中性的细菌细胞内部运输到pH值为酸性的外部。这种跨膜的pH值变化会影响EmrE的结构。在2021年的一篇论文中，Hong和Henzler-Wildman发现了该蛋白在酸性环境中与F4-TPP+结合时的结构。在新的《自然通讯》研究中，他们分析了中性pH值下的结构，使他们能够确定蛋白质的结构如何随着pH值的变化而变化。

研究人员在这项研究中发现，在中性pH值下，构成通道的四个螺旋相对平行，形成一个配体可以轻易进入的开口。随着pH值的下降，向膜的外部移动，螺旋开始倾斜，使通道向细胞的外部更加开放。这有助于将配体从通道中推出。同时，在蛋白质侧链中发现的几个环以一种同样有助于引导配体离开通道的方式改变其方向。

通道的酸性末端也更欢迎质子，质子进入通道并帮助它进一步打开，使配体更容易离开。

"这篇论文真正描述了整个过程，"Hong说。"一个结构是不够的。你需要两个，以弄清楚一个转运器如何能够真正向膜的两边开放，因为它应该把配体或抗生素化合物从细菌内部泵出细菌。"

EmrE通道被认为可以运输许多不同的有毒化合物，因此Hong和她的同事现在计划研究其他分子如何通过该通道。

这项研究得到了美国国立卫生研究院和麻省理工学院科学学院Camplan基金的资助。

关键词： 科学探索 麻省理工学院化学家发现将有毒分子泵出细菌细胞