2023年1月4 日，北京大學生命科學學院李龍研究員組與前沿交叉學科研究院定量生物學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推動的蛋白轉(zhuǎn)運與解旋酶推動的核酸轉(zhuǎn)運在分子水平上有高度的相似性。

蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運是生物生命活動中一種必不可少的過程。蛋白質(zhì)通過定向轉(zhuǎn)運，從細胞質(zhì)運輸?shù)郊毎?。細菌中最重要的蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運系統(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水解酶識別并推動，經(jīng)過SecY通道穿越細胞膜。經(jīng)過30多年的研究，人們對Sec系統(tǒng)介導的蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)運過程有了較為全面的了解，但是對SecA通過ATP水解驅(qū)動蛋白穿膜的分子機理仍然存在很大爭議。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復合物的結(jié)構，特別是在ADP狀態(tài)下的結(jié)構。此前僅有ATP類似物結(jié)合狀態(tài)下的SecA-SecY復合物的結(jié)構^[1]。ADP結(jié)合狀態(tài)下的SecA-SecY復合物非常不穩(wěn)定，多年來領域內(nèi)廣泛認為難以解析其結(jié)構。

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在體外穩(wěn)定SecA-SecY-蛋白底物復合物與ADP結(jié)合的狀態(tài)，利用單顆粒冷凍電鏡（cryo-EM）技術獲得其高分辨結(jié)構。通過與ATP類似物結(jié)合的結(jié)構比較，發(fā)現(xiàn)蛋白底物在SecA-SecY復合物中可以被ATP水解驅(qū)動。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)下的構象。

結(jié)構分析顯示，在結(jié)合ATP后，SecA的核苷酸結(jié)合結(jié)構域由開放狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P閉狀態(tài)，該構象變化傳遞至SecA的“夾子”結(jié)構單元，推動蛋白底物移向SecY通道。生化突變研究驗證了SecA的“夾子”在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運中的重要性。之后，分子動力學模擬確認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)動力。這一分子過程與核酸解旋酶的“蠕蟲運動”模型有高度的相似之處（圖1）。

圖1. SecA和DNA解旋酶的轉(zhuǎn)運機理比較

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

李龍和宋晨為通訊作者。生命科學學院2017級博士生董林琳為第一作者。北大-清華生命科學聯(lián)合中心2019級博士生楊嵩為第二作者，負責了分子動力學模擬工作。北京大學生命科學學院2019級博士生陳靜霞、2022級博士生吳曉飛和前實驗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本研究的結(jié)構計算部分提供了重要指導。該工作得到了北京大學冷凍電鏡平臺、高性能計算中心、生科院儀器中心、膜生物學國家重點實驗室、以及北大-清華生命科學聯(lián)合中心的大力支持。

標注：

[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)運機制的底物嵌合結(jié)構.http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont/22/14629.html，2019-07-02.

來源：北京大學