2023年1月4 日，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李龍研究員組與前沿交叉學(xué)科研究院定量生物學(xué)中心宋晨研究員組合作，在PNAS期刊發(fā)表題為“Structural basis of SecA-mediated protein translocation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)SecA ATPase推動(dòng)的蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)與解旋酶推動(dòng)的核酸轉(zhuǎn)運(yùn)在分子水平上有高度的相似性。

蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)是生物生命活動(dòng)中一種必不可少的過程。蛋白質(zhì)通過定向轉(zhuǎn)運(yùn)，從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞外。細(xì)菌中最重要的蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)是Sec系統(tǒng)，絕大多數(shù)分泌型蛋白質(zhì)被高度保守的SecA ATP水解酶識(shí)別并推動(dòng)，經(jīng)過SecY通道穿越細(xì)胞膜。經(jīng)過30多年的研究，人們對(duì)Sec系統(tǒng)介導(dǎo)的蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)過程有了較為全面的了解，但是對(duì)SecA通過ATP水解驅(qū)動(dòng)蛋白穿膜的分子機(jī)理仍然存在很大爭(zhēng)議。研究瓶頸主要在于缺乏不同核苷酸結(jié)合狀態(tài)下的活性SecA-SecY復(fù)合物的結(jié)構(gòu)，特別是在ADP狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)。此前僅有ATP類似物結(jié)合狀態(tài)下的SecA-SecY復(fù)合物的結(jié)構(gòu)^[1]。ADP結(jié)合狀態(tài)下的SecA-SecY復(fù)合物非常不穩(wěn)定，多年來領(lǐng)域內(nèi)廣泛認(rèn)為難以解析其結(jié)構(gòu)。

李龍組經(jīng)過幾年的探索，最終通過二硫鍵交聯(lián)和納米脂盤等多種技術(shù)在體外穩(wěn)定SecA-SecY-蛋白底物復(fù)合物與ADP結(jié)合的狀態(tài)，利用單顆粒冷凍電鏡（cryo-EM）技術(shù)獲得其高分辨結(jié)構(gòu)。通過與ATP類似物結(jié)合的結(jié)構(gòu)比較，發(fā)現(xiàn)蛋白底物在SecA-SecY復(fù)合物中可以被ATP水解驅(qū)動(dòng)。這是人們第一次直接觀察到ATP水解過程中SecA、SecY和蛋白底物在不同中間狀態(tài)下的構(gòu)象。

結(jié)構(gòu)分析顯示，在結(jié)合ATP后，SecA的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域由開放狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，該構(gòu)象變化傳遞至SecA的“夾子”結(jié)構(gòu)單元，推動(dòng)蛋白底物移向SecY通道。生化突變研究驗(yàn)證了SecA的“夾子”在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)中的重要性。之后，分子動(dòng)力學(xué)模擬確認(rèn)SecA“夾子”兩側(cè)與蛋白底物的相互作用在ATP水解過程中發(fā)生強(qiáng)度交替變化，從而產(chǎn)生使蛋白底物穿膜的單一方向驅(qū)動(dòng)力。這一分子過程與核酸解旋酶的“蠕蟲運(yùn)動(dòng)”模型有高度的相似之處（圖1）。

圖1. SecA和DNA解旋酶的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理比較

本研究揭示了SecA在ATP水解循環(huán)中推動(dòng)蛋白底物通過SecY通道的分子機(jī)制，解決了領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的爭(zhēng)論，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)和核酸轉(zhuǎn)運(yùn)之間的相似性，為開發(fā)新型抗生素提供了新的潛在作用靶點(diǎn)。

李龍和宋晨為通訊作者。生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士生董林琳為第一作者。北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心2019級(jí)博士生楊嵩為第二作者，負(fù)責(zé)了分子動(dòng)力學(xué)模擬工作。北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生陳靜霞、2022級(jí)博士生吳曉飛和前實(shí)驗(yàn)員孫東杰也參與了這一工作。高寧教授和李寧寧副研究員對(duì)本研究的結(jié)構(gòu)計(jì)算部分提供了重要指導(dǎo)。該工作得到了北京大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)、高性能計(jì)算中心、生科院儀器中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、以及北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的大力支持。

標(biāo)注：

[1] 北大生科.Nature Communications | 李龍研究組和高寧研究組合作解析SecA-SecY蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的底物嵌合結(jié)構(gòu).http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/14629.html，2019-07-02.

來源：北京大學(xué)