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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 尿嘧啶轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與機(jī)制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品通過(guò)蛋白質(zhì)提純，結(jié)晶，X射線衍射解析三維結(jié)構(gòu)的方法確定了UraA蛋白的2.9埃的三維結(jié)構(gòu)，確定了UraA蛋白的折疊方式，并以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)一系列的生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一種假說(shuō)解釋UraA轉(zhuǎn)運(yùn)底物的機(jī)理。第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了一種全新的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的折疊方式，以此為基礎(chǔ)提出了一種全新的理論解釋跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)底物的過(guò)程。
- 詳細(xì)介紹：
- 核苷堿基(nucleobases)作為DNA、RNA的重要組成成分，是各種生物必需的分子，而維生素C則在人類健康中起著關(guān)鍵的作用，眾所周知，維生素C的攝入不足會(huì)導(dǎo)致壞血病。多年研究證明各種核苷堿基以及維生素C的吸收由一類跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族NAT（Nucleobase/Ascorbate Transporter）蛋白介導(dǎo)。然而一直以來(lái)生物學(xué)家們對(duì)于NAT家族蛋白完成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制并不清楚。 核苷堿基-維生素C轉(zhuǎn)運(yùn)（NAT）蛋白家族，又稱為核苷堿基-陽(yáng)離子同向轉(zhuǎn)運(yùn)載體2（NCS2）蛋白家族，在各種生物核苷堿基攝取的生理活動(dòng)中發(fā)揮著重要作用。但是很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，這一大類蛋白的三維結(jié)構(gòu)信息以及其發(fā)揮生理活性的機(jī)制一直不得而知。顏寧教授率領(lǐng)的科研小組自建立以來(lái)即致力于對(duì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)，特別是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)理的研究，我們?cè)?007年開(kāi)始了對(duì)NAT家族蛋白的研究，首先選取了大腸桿菌尿嘧啶-質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Uracil:proton Symporter）UraA這一該家族代表性成員作為研究對(duì)象，利用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)的方法，終于在2010年4月首次獲得了UraA與底物尿嘧啶高達(dá)2.8埃的高分辨率三維精細(xì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)三維晶體結(jié)構(gòu)的分析，我們驚喜地發(fā)現(xiàn)：在擁有由14個(gè)跨膜片段形成的兩個(gè)反向重復(fù)序列的UraA蛋白中，存在著一種全新的蛋白折疊形式！在第3號(hào)和第10號(hào)跨膜片段間存在著一對(duì)反向平行的beta-折疊片，它們?cè)诘鞍捉Y(jié)構(gòu)的維持和蛋白底物的識(shí)別中發(fā)揮了重要作用。這一發(fā)現(xiàn)基本顛覆了一直以來(lái)對(duì)于膜整合蛋白結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。過(guò)去25年的膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究似乎表明，膜整合蛋白的跨膜區(qū)或者只有alpha螺旋，或者只有beta折疊。唯一的例外是S2P蛋白，其在膜邊緣處還有三個(gè)beta折疊，由于是出于蛋白邊緣，還一度被專家質(zhì)疑是否是由于體外結(jié)晶造成的結(jié)構(gòu)變相。而UraA的結(jié)構(gòu)毫無(wú)疑義地證明這alpha螺旋和beta折疊兩種蛋白二級(jí)結(jié)構(gòu)可以在膜蛋白的跨膜區(qū)中同時(shí)存在，這已發(fā)現(xiàn)為研究膜蛋白的折疊和進(jìn)化提供了重要線索。 進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析表明UraA在空間排布上呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的結(jié)構(gòu)域，即核心結(jié)構(gòu)域和門控結(jié)構(gòu)域。在已有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們通過(guò)大量的體內(nèi)體外生化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該蛋白特殊結(jié)構(gòu)的生理意義：蛋白底物尿嘧啶在跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過(guò)程中首先被準(zhǔn)確地定位在兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間，進(jìn)而通過(guò)核心結(jié)構(gòu)域和門控結(jié)構(gòu)域之間的構(gòu)像變化完成整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。我還發(fā)現(xiàn)了在底物識(shí)別共轉(zhuǎn)運(yùn)中起關(guān)鍵作用的數(shù)個(gè)氨基酸。根據(jù)序列比較，我進(jìn)一步提出了NAT家族利用鈉離子或質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)底物的分子機(jī)理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 本作品通過(guò)蛋白質(zhì)提純，結(jié)晶，X射線衍射解析三維結(jié)構(gòu)的方法確定了UraA蛋白的2.9埃的三維結(jié)構(gòu)，確定了UraA蛋白的折疊方式，并以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過(guò)一系列的生化實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了一種假說(shuō)解釋UraA轉(zhuǎn)運(yùn)底物的機(jī)理。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本作品的研究是第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)了一種全新的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)的折疊方式，以此為基礎(chǔ)提出了一種全新的理論解釋跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)底物的過(guò)程，加深了人類對(duì)膜蛋白結(jié)構(gòu)與功能的理解。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 1.為人類了解NAT家族蛋白成員的結(jié)構(gòu)提供了模型 2.加深了人類對(duì)跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的理解,特別是與哺乳動(dòng)物維生素C轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白同源跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的理解
學(xué)術(shù)論文摘要
- 堿基/抗壞血酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（nucleobase/ascorbate transporter (NAT)），也叫做堿基/陽(yáng)離子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2（nucleobase/cation symporter 2 (NCS2)），負(fù)責(zé)在自然界所有家族的生物體內(nèi)的堿基的攝取以及在哺乳動(dòng)物中維生素C的轉(zhuǎn)運(yùn)。盡管我們已經(jīng)有對(duì)細(xì)菌，酵母和哺乳動(dòng)物中NAT家族成員的功能性描述，但我們?nèi)匀粵](méi)有與NAT家族相關(guān)的蛋白質(zhì)的詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。在這里，我們報(bào)道了NAT家族中一個(gè)代表性的蛋白質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)，即大腸桿菌中尿嘧啶/氫離子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白UraA與尿嘧啶復(fù)合體的2.8埃的三維晶體結(jié)構(gòu)。UraA有一個(gè)全新的折疊方式，它的14次跨膜區(qū)域被分為兩個(gè)反向的重疊。并且，一對(duì)反向折疊的beta折疊片位于TM3和TM10之間，并對(duì)結(jié)構(gòu)組織和底物識(shí)別起到了重要作用。從空間上看，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以被劃分為為一個(gè)核心結(jié)構(gòu)與和一個(gè)門控結(jié)構(gòu)域。尿嘧啶處于兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的相互作用的界面上，并且主要由來(lái)自核心結(jié)構(gòu)域的殘基作用。結(jié)構(gòu)分析表明，底物的交替通路可能由門控結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象變化實(shí)現(xiàn)。
獲獎(jiǎng)情況
- 文章于2011年3月發(fā)表于國(guó)際著名期刊《nature》， 文章題目為《Structure and mechanism of the uracil transporter UraA》。
鑒定結(jié)果
- 該作品在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)中未見(jiàn)有與之相同的研究報(bào)道。
參考文獻(xiàn)
- 1. Saier, M. H. Jr et al. Phylogenetic characterization of novel transport protein families revealed by genome analyses. Biochim. Biophys. Acta 1422, 1–56 (1999). 2. Gournas, C., Papageorgiou, I.& Diallinas, G. The nucleobase-ascorbate transporter (NAT) family: genomics, evolution, structure-function relationships and physiological role. Mol. Biosyst. 4, 404–416 (2008). 3. Tsukaguchi, H. et al. A family of mammalian Na1-dependent L-ascorbic acid transporters. Nature 399, 70–75 (1999). 4. Wang, Y. et al. Human vitamin C (L-ascorbic acid) transporter SVCT1. Biochem. Biophys. Res. Commun. 267, 488–494 (2000). 5. Savini, I., Rossi, A., Pierro, C., Avigliano, L. & Catani, M. V. SVCT1 and SVCT2: key proteins for vitamin C uptake. Amino Acids 34, 347–355 (2008). 6. Yamamoto, S. et al. J. Biol. Chem. 285, 6522–6531 (2010).
同類課題研究水平概述
- 結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究已經(jīng)經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，并且已經(jīng)有不少結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的工作已經(jīng)獲得了諾貝爾生理學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。通過(guò)X射線衍射解析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，我們能夠獲得與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的具體信息，同時(shí)輔助以有效的生化實(shí)驗(yàn)，三維結(jié)構(gòu)能夠加深人類對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的理解。由于蛋白質(zhì)是維持生命活動(dòng)的最重要的物質(zhì)，加深對(duì)蛋白質(zhì)的理解能夠加深人類對(duì)生命的理解，同時(shí)能夠幫助研究人員設(shè)計(jì)出更加有效的藥物。 膜蛋白占整個(gè)蛋白質(zhì)組中大概三分之一，但是與可溶性蛋白相比，人類目前只獲得很少量的與膜蛋白有關(guān)的信息，而位于細(xì)胞膜上的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白又是起到了非常關(guān)鍵的作用，因?yàn)樗鼈兪峭饨缥镔|(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的門戶，控制著與細(xì)胞活動(dòng)有關(guān)物質(zhì)的進(jìn)出。因此，對(duì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的理解對(duì)于了解細(xì)胞的生命活動(dòng)以及相關(guān)藥物制備起到了非常關(guān)鍵的作用。近10年來(lái)，越來(lái)越多的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白已經(jīng)被解析，并且我們已經(jīng)對(duì)部分蛋白的功能機(jī)制有了一些初步的研究。其中，很多研究集中在major facilitator superfamily(MFS)和LeuT fold上面。研究結(jié)果表明，已知結(jié)構(gòu)的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白共有一些特定的折疊方式，并且一些關(guān)鍵的氨基酸在不同種族的生物中是保守的。我們的工作擴(kuò)展了人類對(duì)膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的了解，并提出了和已知的膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白不同的折疊方式。這一工作使我們加深了對(duì)膜蛋白的理解，并為將來(lái)的藥物研發(fā)以及對(duì)其同源蛋白的理解打下了基礎(chǔ)。
