單突變嚴重影響細菌轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

最近，在《eLife》雜志上發(fā)表的一項新研究發(fā)現(xiàn)，通過對某個細菌蛋白進行單個氨基酸突變，會改變其結(jié)構(gòu)和功能，進而揭示了復(fù)雜基因進化的影響。這項以大腸桿菌為對象的研究可以幫助人們更好地理解轉(zhuǎn)運蛋白的進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：“我們發(fā)現(xiàn)微小的突變對于轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)和功能十分重要。”

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

此前研究表明，膜轉(zhuǎn)運蛋白通常由多個重復(fù)元件組成。在復(fù)雜的轉(zhuǎn)運蛋白中，每個結(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，并通過復(fù)制融合在一起。然而，研究者們一直不清楚從單個融合基因產(chǎn)生更復(fù)雜的轉(zhuǎn)運蛋白是否具有進化優(yōu)勢？

為了對此進行調(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)的簡單轉(zhuǎn)運蛋白。某些大腸桿菌菌株可能會導(dǎo)致嚴重疾病的發(fā)生，并且它們對抗生素的抵抗力越來越強。究其原因，是由于細菌膜上的轉(zhuǎn)運蛋白EmrE能夠?qū)ⅰ坝卸尽被衔镏鲃优懦觥?/span>

已知EmrE由兩個相同的蛋白質(zhì)亞基組成，實驗表明，改變兩個蛋白質(zhì)亞基之一中的單個氨基酸（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)運蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。

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

Traaseth說：“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)運蛋白的進化使我們對細菌如何通過突變產(chǎn)生耐藥性有了新的認識。”