麻省理工学院的化学家发现了将有毒分子从细菌细胞中分解出的蛋白质结构
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麻省理工学院的化学家发现了 EmrE 转运蛋白的结构如何随着化合物的移动而发生变化。左边是高 pH 下的转运蛋白结构。随着 pH 值下降（右），螺旋开始倾斜，使通道向细胞外部更加开放，将化合物引导出去。来源：由研究人员提供
蛋白质结构为耐药机制提供线索
一项新的研究揭示了蛋白质如何将有毒分子从细菌细胞中泵出。
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麻省理工学院的化学家发现了一种蛋白质的结构，可以将有毒分子从细菌细胞中泵出。在大肠杆菌中发现的与这种蛋白质相似的蛋白质被认为有助于细菌对多种抗生素产生抗药性。
使用核磁共振 (NMR) 光谱，研究人员能够确定这种蛋白质的结构如何随着药物样分子的移动而发生变化。麻省理工学院化学教授梅红说，对这种详细结构的了解可能使设计能够阻断这些转运蛋白并帮助耐药细菌对现有抗生素重新敏感的药物成为可能。
“了解这种蛋白质的药物结合口袋的结构，人们可能会尝试设计这些底物的竞争者，这样你就可以阻断结合位点并阻止蛋白质从细胞中去除抗生素，”Hong 说，他是论文的高级作者。
麻省理工学院研究生 Alexander Shcherbakov 是该研究的主要作者，该研究今天发表在Nature Communications上。该研究团队还包括麻省理工学院研究生 Aurelio Dregni 和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。
耐药转运蛋白
通过细胞膜将药物泵出是细菌可以用来逃避抗生素的众多策略之一。几年来，威斯康星大学的 Henzler-Wildman 小组一直在研究一种称为 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 属于称为小型多药耐药 (SMR) 转运蛋白的蛋白质家族。尽管 EmrE 不直接参与抗生素耐药性，但已发现该家族的其他成员存在于结核分枝杆菌和鲍曼不动杆菌的耐药形式中。
“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 是迄今为止在体外和体内研究最多的家族成员，这使其成为研究支持 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 测量蛋白质中氟探针和氢原子之间的距离。这使得确定蛋白质与含氟分子结合时的结构成为可能。
在 Hong 在一次会议上就新技术发表演讲后，Henzler-Wildman 建议他们合作研究 EmrE。她的实验室多年来一直在研究 EmrE 如何将药物样分子或配体转运穿过磷脂膜。这种配体称为 F 4 -TPP +，是一个四面体分子，其上附有四个氟原子，每个角落一个。
研究人员将这种配体与 Hong 的新 NMR 技术结合使用，开始确定 EmrE 的原子分辨率结构。众所周知，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，因此八个跨膜螺旋形成内壁，在配体通过通道时与配体相互作用。以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，它们就像抓住配体并帮助引导它通过通道的手臂。
EmrE 将有毒分子从处于中性 pH 值的细菌细胞内部转运到酸性外部。这种跨膜的 pH 值变化会影响 EmrE 的结构。在 2021 年的一篇论文中，Hong 和 Henzler-Wildman 发现了这种蛋白质在酸性环境中与 F 4 -TPP +结合时的结构。在新的Nature Communications研究中，他们分析了中性 pH 值的结构，使他们能够确定蛋白质的结构如何随着 pH 值的变化而变化。
完整的结构
研究人员在这项研究中发现，在中性 pH 值下，构成通道的四个螺旋彼此相对平行，从而形成了一个配体可以轻松进入的开口。随着 pH 值下降，向膜外侧移动，螺旋开始倾斜，使通道向细胞外侧更加开放。这有助于将配体推出通道。同时，在蛋白质侧链中发现的几个环改变了它们的方向，这也有助于将配体引导出通道。
通道的酸性末端也更欢迎质子，质子进入通道并帮助其进一步打开，使配体更容易退出。
“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，才能弄清楚转运蛋白如何真正打开膜的两侧，因为它应该将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，因此 Hong 和她的同事现在计划研究其他分子如何通过该通道。
该研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院坎普兰基金资助。