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

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

紐約大學(xué)化學(xué)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(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能感到非常驚訝。”

細(xì)胞由一層薄膜層約束，該薄膜層保護(hù)其內(nèi)部不受外界環(huán)境的影響。在該層中是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其控制允許哪些物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞。這些轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞膜上移動。

膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白通常由多個重復(fù)單元組成。在更復(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)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(rèn)為，重復(fù)的模式是由較小的膜蛋白基因演化而來，該基因已經(jīng)復(fù)制并融合在一起。但是，從單個融合基因產(chǎn)生更復(fù)雜的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是否具有進(jìn)化優(yōu)勢?

為了對此進(jìn)行調(diào)查，紐約大學(xué)化學(xué)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(yùn)蛋白，該細(xì)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(dǎo)致嚴(yán)重疾病，并且對抗生素的抵抗力會越來越強(qiáng)，這種情況發(fā)生在使用膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將有毒化合物泵出時。的大腸桿菌轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞消除它們兩個相同的蛋白質(zhì)亞基。

實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(yùn)蛋白從大腸桿菌中去除有毒化學(xué)物質(zhì)的能力，并降低了細(xì)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(yīng)用距離我們只有幾步之遙，但了解藥物轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的進(jìn)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(rèn)識。”

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

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