單一突變會大大改變細菌轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu) 功能

在發(fā)表在《電子人生》雜志上的一項新研究發(fā)現(xiàn)，將單個氨基酸交換到簡單的細菌蛋白質(zhì)中會改變其結(jié)構(gòu)和功能，揭示復雜基因進化的影響。這項利用大腸桿菌進行的研究可以幫助研究人員更好地理解轉(zhuǎn)運蛋白的進化及其在耐藥性中的作用。

紐約大學化學副教授，該研究的資深作者內(nèi)特·特拉瑟斯說：“我們對微小的突變?nèi)绾斡绊戅D(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)和功能感到非常驚訝。”

細胞由一層薄膜層約束，該薄膜層保護其內(nèi)部不受外界環(huán)境的影響。在該層中是轉(zhuǎn)運蛋白，其控制允許哪些物質(zhì)進出細胞。這些轉(zhuǎn)運蛋白通過在該層的一側(cè)裝載貨物，然后改變其結(jié)構(gòu)以在另一側(cè)釋放它，從而主動地使物質(zhì)在細胞膜上移動。

膜轉(zhuǎn)運蛋白通常由多個重復單元組成。在更復雜的轉(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)的單個基因。

可以認為，重復的模式是由較小的膜蛋白基因演化而來，該基因已經(jīng)復制并融合在一起。但是，從單個融合基因產(chǎn)生更復雜的轉(zhuǎn)運蛋白是否具有進化優(yōu)勢?

為了對此進行調(diào)查，紐約大學化學系的Traaseth及其同事Maureen Leninger和Ampon(Callie)Sae Her檢查了一種在大腸桿菌中發(fā)現(xiàn)的簡單轉(zhuǎn)運蛋白，該細菌在人和動物腸道中含量很高。但是，某些大腸桿菌菌株可能會導致嚴重疾病，并且對抗生素的抵抗力會越來越強，這種情況發(fā)生在使用膜上的轉(zhuǎn)運蛋白將有毒化合物泵出時。的大腸桿菌轉(zhuǎn)運蛋白，稱為埃姆雷，包含一起工作以通過膜移動毒性分子并從細胞消除它們兩個相同的蛋白質(zhì)亞基。

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)，使其彼此略有不同，從而大大改變了轉(zhuǎn)運蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。微妙的氨基酸交換破壞了向內(nèi)和向外蛋白的平衡。

重要的是，改變單個氨基酸改變了轉(zhuǎn)運蛋白從大腸桿菌中去除有毒化學物質(zhì)的能力，并降低了細菌對藥物的抗藥性，這可能對藥物開發(fā)和抗藥性產(chǎn)生未來的影響。

Traaseth說：“盡管這些發(fā)現(xiàn)的臨床應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大自然母親如何利用突變提供耐藥性有了新的認識。”

研究人員指出，對EmrE轉(zhuǎn)運蛋白的一半相同的部分進行微小變化的影響證明了膜轉(zhuǎn)運蛋白對突變的敏感性。

Traaseth補充說：“這一觀察結(jié)果也可以幫助解釋為什么進化偏愛由融合基因組成的更復雜的轉(zhuǎn)運蛋白，其中單個氨基酸的變化可以改變轉(zhuǎn)運蛋白的運作方式。”