蛋白质泵帮助细菌对抗生素产生抗药性

麻省理工学院的化学家们发现了一种蛋白质的结构，这种蛋白质可以将有毒分子从细菌细胞中抽出。和这个相似的蛋白质，在大肠杆菌它们被认为可以帮助细菌对多种抗生素产生抗药性。

利用核磁共振(NMR)光谱学，研究人员能够确定这种蛋白质的结构在类药物分子穿过它时是如何变化的。麻省理工学院的化学教授Mei Hong说，对这种详细结构的了解可能会使设计阻断这些转运蛋白的药物成为可能，并有助于使耐药细菌对现有抗生素重新敏感。

该论文的高级作者Hong说:“了解了这种蛋白质的药物结合袋的结构，人们可能会尝试设计这些底物的竞争对手，这样你就可以阻止结合位点，防止蛋白质从细胞中去除抗生素。”

麻省理工学院的研究生Alexander Shcherbakov是这项研究的主要作者自然通讯．该研究小组还包括麻省理工学院的研究生Aurelio Dregni和来自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。

耐药性转运蛋白

通过细胞膜排出药物是细菌用来逃避抗生素的众多策略之一。几年来，威斯康辛大学的Henzler-Wildman团队一直在研究一种叫做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属于一个称为小多药耐药(SMR)转运蛋白的蛋白质家族。虽然EmrE不直接参与对抗生素的耐药性，但已发现家族的其他成员具有耐药形式结核分枝杆菌而且不动杆菌baumanii．

“SMR转运蛋白在蛋白质的关键区域具有高度的序列保守性。EmrE是目前为止研究得最好的家族成员，两者都是在体外而且在活的有机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，”Henzler-Wildman说。

几年前，Hong的实验室开发了一种技术，允许研究人员使用NMR来测量蛋白质中氟探针和氢原子之间的距离。当蛋白质与含氟分子结合时，这使得确定蛋白质的结构成为可能。

洪在一次会议上发表了关于这项新技术的演讲后，亨茨勒-怀尔德曼建议他们合作研究EmrE。她的实验室花了多年时间研究EmrE如何在磷脂膜上运输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，上面有四个氟原子，每个角一个。

利用这种配体和Hong的新核磁共振技术，研究人员开始确定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分子组装成二聚体，因此当配体通过通道时，八个跨膜螺旋形成内壁，与配体相互作用。之前的研究已经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，它们就像手臂一样抓住配体并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送到pH值为酸性的细菌细胞外部。这种跨膜pH值的变化会影响EmrE的结构。在2021年的一篇论文中，洪和亨茨勒-怀尔德曼发现了这种蛋白质在酸性环境中与F4-TPP+结合时的结构。在新的自然通讯在这项研究中，他们分析了中性pH值下的结构，从而确定蛋白质结构如何随着pH值的变化而变化。

结构完整

研究人员在这项研究中发现，在中性pH下，组成通道的四个螺旋彼此相对平行，形成了一个配体可以轻易进入的开口。随着pH值的下降，向膜外移动，螺旋开始倾斜，使通道向细胞外更加开放。这有助于将配体推出通道。与此同时，在蛋白质侧链中发现的几个环改变了它们的方向，这也有助于引导配体离开通道。

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

“这篇论文真的完成了这个故事，”洪说。“一个结构是不够的。你需要两个，来弄清楚一个转运蛋白是如何在膜的两侧打开的，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，所以Hong和她的同事们现在计划研究其他分子如何通过通道。

参考:Shcherbakov AA, Spreacker PJ, Dregni AJ, Henzler-Wildman KA, Hong M. EmrE的高ph结构揭示了质子耦合底物输运机制。Nat Commun．2022; 13(1): 991。doi:10.1038 / s41467 - 022 - 28556 - 6

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