锌转运体有内置的自动调节的传感器

科学家在美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室已经确定的原子水平结构zinc-transporter蛋白质、分子机器,调节细胞内微量金属微量营养素水平的至关重要的。刚刚发表的一篇论文中描述自然通讯,结构揭示了细胞膜蛋白改变其形状将锌从环境到一个细胞,和临时块这个动作时自动细胞内锌含量过高。

“锌对许多生物活性是重要的,但是太多的可能是一个问题,“群Liu表示布鲁克海文实验室的生物物理学家领导这个项目。“在进化过程中,不同的生物进化在许多方面调节锌。但是没有人表明,运输车控制锌的吸收从环境中可以调节自己的活动。我们的研究是第一个显示锌转运体这样的内置传感器”。

布鲁克海文实验室的研究是作为进行的量化植物科学计划(QPSI)。使用细菌版本的锌转运体的基本特征与锌转运蛋白在植物中,科学家们获得了关键洞察这些蛋白质是如何工作的。

“这项研究是我们努力的一部分了解锌等微量营养物质被植物,这样我们就可以更好地理解如何设计植物能生长在边际土地用于生产生物能源,”约翰Shanklin布鲁克海文实验室生物学系主任说,他是研究报告的合著者。

工程师的研究也表明方法与锌含量增加粮食作物,提高其营养价值,科学家们指出。

低温电子显微镜+计算

解决蛋白质结构,布鲁克海文团队使用低温电子显微镜(低温电子显微镜)实验室的生物分子结构(加快)。使用这种技术,科学家可以样品不同构象的蛋白质,而不是一个固定的形式。这很重要,因为,在自然界中,蛋白质是动态的,不是静态的;他们移动。

“低温电子显微镜不需要蛋白质形成晶体,所以我们可以捕捉动态的步骤可能不可行使用x射线晶体学,另一个技术研究蛋白质结构,”刘说。“本质上,低温电子显微镜,我们可以获取更多的“电影”来得到一个结构框架,非常有助于理解蛋白质的生物功能。”

整理许多结构的变化,科学家们需要强大的计算工具。这包括使用机器学习的人工智能方法,其中一些刘已经开发了。使用这些算法,科学家们可以半自动生成选择和整理数以百万计的低温电子显微镜图像发现组织结构的相似之处。方法能让他们实现可行的分辨率最高,从而揭示量子结构的细节。

在这项研究中,这种低温电子显微镜方法揭示了关键特性的一个阶段一个ZIP (Zrt - / Irt-like蛋白质)锌转运蛋白,揭示如何调节自己的zinc-uptake活动取决于多少锌已经在细胞中。

“我们的新数据让我们修改前面的观点,这种蛋白质是如何工作的,”刘说。

输入倾斜,停止

早先的报告基于x射线晶体学和coevolutional分析表明,运输可能作为一种“电梯”运输锌。这项新的研究表明细胞膜的两侧与锌的交互触发的运动部分的蛋白质将锌电池,至关重要的是,阻止其进入当里面的水平太高了。

“关键结构显示,当细胞内锌水平上升到一定水平之后有什么需要满足细胞的要求过多的锌结合膜的内部循环,”刘说。”这个灵活的循环调整,折叠,形成和结合的方式阻止锌进入细胞。”

“就像插头进入浴缸排水阻塞,“Shanklin补充道。

科学家们还了蛋白质的其他部分让锌进入移动。

当细胞内锌含量低,锌下降循环部分和插头持久性有机污染物的输送。锌的环境可以进入运输车。锌转运体内部,导致蛋白质机器的一部分向上移动和倾斜,关闭出口的外部环境。锌进入细胞后,机器将重置本身再次工作。

“我们低温电子显微镜首次展示这个循环结构域的蛋白质调节运输活动的反馈根据锌的水平,”刘说。

这也是第一个结构表明,该锌转运体是一个安排的两个相同的蛋白二聚体。“它需要两个分子来做这项工作,”刘说。

科学家们认为,表演的形式有两个分子二聚体可能与它的功能或稳定他们会探索未来的计算模拟分子如何协同工作。

“这项研究可以使工程锌转运蛋白的新方法在微生物和植物优化他们的增长条件下,锌太低或太高,可能在边际土地上生产生物能源和bioproducts,”刘说。

参考:彭日成C,柴J,朱镕基P, Shanklin J,刘问:结构的细胞内机制自动调整锌吸收的邮政转运蛋白。Nat Commun。2023;14 (1):3404。doi:10.1038 / s41467 - 023 - 39010 - 6

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