ABC转运蛋白的结构与转运机制

ABC转运蛋白的结构与转运机制 ABC转运蛋白的结构与转运机制 ? 208? 文章编号:1000—1336(2007)03—0208—03 生命的化学2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) ?MiniReviews ABC转运蛋白的结构与转运机制 王华丙张振义包锐陈宇星 (同济大学生命科学与技术学院蛋白质研究所,上海200092) 摘要:腺苷三磷酸结合盒转运蛋I~I(ATP—bindingcassettetransporter,ABC转运蛋白)超家族是一组跨膜蛋白,具有ATP结合区 域的单向底物转运泵,以主动转运方式完成多种分子的跨膜转运.ABC转运蛋白的一个亚家族与多药抗性(multidrugresistance, MDR)有关,而多药抗性是临床肿瘤化疗中需要解决的主要问,所以其结构与转运机制一直是研究的热点.最近几年获得了一 些高分辨率的ABC转运蛋白的晶体结构,该文将根据ABC转运蛋白的结构的研究进展对其可能的转运机制进行 讨论. 关键词:ABC转运蛋白;跨膜转运;膜蛋白晶体结构;转运机制;多药抗性 中图分类号:Q7l 腺苷三磷酸结合盒转运蛋~(ATP—bindingcassette transporters,ABC转运蛋白)由于含有一个腺苷三磷酸 (ATP)的结合盒(ATP—bindingcassette,ABC)而得名. ABC转运蛋白是膜整合蛋白,它利用水解ATP的能 量对溶质中各种生物分子进行跨膜转运,其转运的底 物包括:糖,氨基酸,金属离子,多肽,蛋白质,细 胞代谢产物和药物等.ABC转运蛋白广泛存在于真核 和原核生物中,目前已知人类基因组中有48个ABC 转运蛋白超家族成员.在大肠杆菌K—l2基因组中,至 少有80个编码ABC转运蛋白,约占基因组的5%.ABC 转运蛋白参与生物的各种生理功能,诸如维持细胞内 外的渗透压平衡,抗原呈递,细胞分化,细菌免疫,胆 固醇及脂质的运输等等.其突变导致胆囊纤维样变性, 高密度脂蛋白缺乏症等遗传性疾病.人类ABC转运蛋 白P型糖蛋白(P-gp)的过量达与癌症治疗和微生物感 染治疗中广泛存在的多药抗性密切相关,因此对其转 运机制的研究是结构生物学和生物化学关注的热点. 1.ABC转运蛋白的结构 ABC转运蛋白的核心结构通常由4个结构域组 成,包括2个高度疏水的跨膜结构域(transmembrane domain,TMD)和2个核苷酸结合域(nucleotide—binding domian,NBD).每一跨膜结构域一般由6个0c螺旋构 收稿日期:2007—01?18 国家基金委海外青年学者合作研究基金(No.30628006) 作者简介:王华丙(1981一),男,硕士生,E—mail: specialofwind@yahoo.com.on;张振义(1985?),男,硕士生,E—mail: zhangziyun198511@sina.tom;包锐(1981-),男,博士生,E—mail: Baorui_ren@hotmail.com;陈字星(1966?),女,博士,教授,博士生 导师,E—mail:cyx@mail.tongji.edu.cn 成,也存在由10个,17个,19个0c螺旋组成的跨膜 结构域….它们形成一个跨膜通道以实现底物分子的 跨膜运输,同时还参与底物的识别过程.核苷酸结合 域位于胞质,结合和水解ATP.有的亚家族,比如 CUT1和MOT1,还有2个C端附加结构域,可能参与 调节二聚体的形成及解聚.还有一些ABC转运蛋白具 有膜外结合蛋白,其作用是识别底物并呈送给TMD. 1.1核苷酸结合域的结构在核苷酸结合域内有一个 长约200个氨基酸的非常保守的片段,包含了3个模 体(motif),分别为WalkerA模体(P—loop),WalkerB 模体和WalkerC模体,后者位于前2个模序中间.其 中WalkerA和B模体是所有的核苷酸结合蛋白所共 有的,而WalkerC模体是ABC转运蛋白的特征性模 体.这3个模体的序列都十分保守,WalkerA模体的 特征氨基酸残基序列为G—X—X—G-X—G—K—S/T,WalkerB 模体为一西.一.D(是疏水性氨基酸残基),而 WalkerC模体则为L.S.G.G.Q.在ABC超家族中不 同亚家族成员之间这200个氨基酸片段的保守性高达 30%,40%.NBD结构域可进一步分为2个亚结构域, ATP结合核心亚结构域和螺旋亚结构域,后者和ATP 水解偶联底物跨膜转运相关[2】. 在NBD中还有几个环(1oop)区非常保守.其中Q. 环连接ATP结合核心亚结构域和0c螺旋亚结构域[31,它 和ATP的丫磷酸相结合.D.环由6个保守氨基酸残基 组成,它们是参与催化反应的关键氨基酸,其构象变 化关系到ATP是否水解但1.而H.环则把催化水解所需 要的各个氨基酸残基,水分子和镁离子连接起来,形 成一个催化活性中心. ?小综述生命的化学2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) 1.2核心结构域的排列ABC转运蛋白的4个结构域 的排列有多种方式.在原核生物中,常见的是每1个 结构域构成1个亚基,也存在1个亚基上具有2个或 2个以上的结构域.而真核生物的ABC转运蛋白比较 常见的是4个不同的结构域位于同一条多肽链上,2个 结构域在1个亚基上的情况也会发生.在真核生物中 4个结构域的排列顺序有正向排列顺序(TMD—NBD — TMD—NBD:比如MRP和P—gpt)和反向排列顺序 (NBD—TMD—NBD—TMD:如酵母中的PDR与 SNQ2).对于具有2个亚基的ABC转运蛋白,每一个亚 基分别由1个NBD和1个TMD组成,它们可正向排列: NBD,如人的}?AClassI抗原转运蛋白(rAP) TMD— ;或反向排列一NBD—,如果蝇的White和Brown 转运蛋白,只有形成二聚体时才具有转运活性. 1.3ABC转运蛋白的三维结构目前只有少数几个 ABC转运蛋白三维结构得到解析.1997年,人的P—gP 蛋白的电子显微镜观察和图像分析,是第一例关于 ABC转运蛋白三维结构分析的实验[5】.P—gP蛋白有2个 跨膜结构域,每一个跨膜结构域由6个0c螺旋组成,在 胞质一侧有2个3nlll的凹槽相对应于P—gP的2个核苷 酸结合区.P—gP在膜内形成1个水相的空间,向细胞 外侧敞开,胞质一侧则是关闭的.这些结构特点是在 膜上观察到的,可能反映了正常生理状态下的结构. 1998年,Hungt等解析了伤寒沙门氏菌的组氨酸转 运蛋白的ATP结合亚基的晶体结构.2002年,大肠杆菌 的传输维生素B的ABC转运蛋白BtuCD的晶体结构也 被解析[7】.大肠杆菌的BtuCD是向胞内转运维生素B12 的ABC转运蛋白,它有2个跨膜亚基BtuC(TMD)和2个 ATP结合亚基BtuD(NBD).2个BtuC亚基的20个跨膜 螺旋形成1个通道,通道靠近胞质一侧由2个环形成一 个关闭的门[7】,而BtuD的结构与其他ABC转运蛋白NBD 的结构一致.2006年9月,Dawson等[8]在((Nature))上 发表了ABC转运蛋白Sav1866结合ADP的复合体的晶 体结构.Sav1866是金黄色酿脓葡萄球菌的耐药蛋白,每 一 个TMD由6个跨膜螺旋组成,2个TMD中间形成一 个药物转运通道,通道的开口朝向胞外,2个NBD由于 结合ADP而紧密接触.这一结构与电镜研究的MDR1的 结构一致.就在今年,有3个ABC转运蛋白及其复合体 的结构被解析.首先,Sav1866结合AMP-PNP的复合体 的晶体结构】,它进一步证明了Sav1866结合核苷酸时 转运通道的开口朝向膜外.然后,乙型流感嗜血杆菌的 一 个金属螯合型ABC转运蛋白HI1470/1的结构被解析 ,结构数据显示:两个NBD形成二聚体不如在BtuD 中紧密,而两个TMD形成一个开口朝向胞质的通道,可 ? 209? 能是释放水解产物ADP后的状态.最近,钼酸盐转运蛋 白和它的外周结合蛋白的复合体的晶体结构…发表在 ((Nature))上.结果显示,外周结合蛋白结合底物并将底 物呈送到转运通道外口,两个NBD未结合核苷酸,处 于解离的状态,两个TMD形成一个开口朝向胞质的通 道,其构象可能是水解ATP后的状态. 遗憾的是,Chang的研究小组解析的脂质A转运 蛋白MsbA,MsbA的复合体及多药转运蛋白EmrE的 复合体的晶体结构[】,由于数据处理时的错误,使得 他们的结构数据从PDB(proteindatabank)数据库中撤 回.Chang的研究小组将用原始数据重新计算MsbA 及EmrE的结构,希望他们的数据分析会为ABC转运 蛋白的结构和机制研究提供有用的信息. 2.ABC转运蛋白的作用机制 由于各种生物的ABC转运蛋白的结构的相似性以 及NBD的高度保守性,原核和真核生物中的ABC转运 蛋白的作用机制相近.虽然对ABC转运蛋白跨膜运输 的精确分子机制尚不清楚,但目前的研究已使其作用机 制初显轮廓.外向运输ABC转运蛋白的整个转运过程 是从细胞内侧底物与ABC转运蛋白TMD区的结合开始 的,而对于内向运输ABC转运蛋白,则是先形成外周 蛋白和底物的复合体[5】,然后与ABC转运蛋白相互作 用,进而把底物传递给它的TMD部分. 2.1水解ATP机制NBD结合2个ATP形成1个紧密接 触的二聚体,聚合的方式是头尾相接式,即每个ATP分 子结合在1个NBD的WalkerC模体与另1个NBD的 WalkerA模体之间[2】.水解ATP的精确机制还不清楚, 目前有两种观点:一种观点认为2个ATP先后水解,然 后二聚体解离;另外一种观点认为1个ATP先水解,其 结合位点打开,当它再结合ATP时,第2个ATP才开 始水解,此为2个ATP交互水解模式.此外,一些ABC 转运蛋白需要借助底物的帮助才能完成ATP的水解fl3】. 2.2偶联物质运输对于外向运输的ABC转运蛋白, 当底物结合位点在膜内侧时,蛋白质与底物的亲和力 高;构象变化后,底物结合位点暴露于膜外侧时,亲 和力降低使底物释放到细胞外.也有人根据对外向运 输ABC转运蛋白LmrA的研究提出:ABC转运蛋白 TMD区含有2个底物结合位点,其中1个位于膜内侧, 对底物的亲和力高;而另1个位于膜外侧,对底物的 亲和力很低.总之,目前所知道的ATP水解过程以及 底物结合位点的方向及亲和力的变化都是类似酶活反 应的过程,而这两个过程是如何偶联在一起,以及相 应的构象变化机制仍需进一步的研究. 2_3转运机制从目前已经解析结构的ABC转运蛋白 ? 210? 文章编号:1000—1336(2007)03—0210—03 生命的化学))2007年27卷3期 CHEMISTRYOFLIFE2007,27(3) ?MiniReviews 核转录因子一1cB信号通路的激活与阻断 申卫红彭鑫茹松伟宗扬勇邵启祥 (江苏大学医学技术学院免疫系,江苏大学医学技术学院临床检验诊断学研究所, 镇江市临床检验诊断学重点实验室,镇江212013) 摘要:核因子.rJ3(nuclearfactor.rJ3,NF—rJ3)是广泛存在于细胞内的一种重要的核转录因子.它参与机体的炎症反应,免疫 应答,细胞凋亡及其他应激反应.NF-rJ3过度激活与人类许多疾病如类风湿性关节炎,肿瘤和移植排斥反应等直接相关,因此通 过药物或者分子生物学方法来抑制或者阻断NF-rd3信号转导途径可能会成为治疗某些疾病的重要手段.该文介绍NF-rJ3的生物 学特性及各种阻断NF-rJ3活化的策略. 关键词:NF—KB;阻断策略 中圈分类号:R392.4 收稿日期:2007—01—03 国家自然科学基金(30671984) 作者简介:申卫红(1978一),男,硕士研究生,E-mailloveswh@163. com;彭鑫(1983一)'女,硕士研究生,E-mail:pxlpbl0g@yaI1o0.corn. ca;茹松伟(1980-),男,硕士研究生,E-mail:alexru@163.corn;宗 扬勇(1976-),男,硕士研究生,E-mail:zongyy851@gmail.com;邵启 祥(1965一),男,教授,博士生导师,E-mail:shao_qx@yahoo.corn.cn 1986年Sen和Baltimore最初在成熟B细胞核提 取物中发现,有一种核蛋白能与免疫球蛋白K轻链基 因增强子1序y1](GGGACTITCC)特异结合,因此把 这种核蛋白称为NF—r.Bt".NF—r.B家族中有5个成员, 包括NF一1cBl(P50/P105),NF一~B2(P52/P100),RelA (P65),RelB和c-Rel.P50和P65亚基在细胞中广泛 ?????????????????????????????????? ?????????????? 可以看出,两个TMD之间存在一个通道,通过该通 道的构象变化来摄取,传输和释放底物【l".在不同的 转运阶段,两个NBD的结合状态不一样,通道的开口 朝向也有所不同.通过控制通道对膜内外的开放,偶 联ATP的水解来实现对底物的转运【l,这是一种门控 模式.当ABC转运蛋白具有膜外结合蛋白时,从膜外 向胞内转运底物的转运过程是:在两个TMD之间存 在一水性通道,靠近膜外及胞质部分都有环形成的 门.未转运底物时,靠近外周质的门处于开放状态, 朝向胞质面的门处于关闭状态.跨膜转运时,膜外结 合蛋白结合底物并呈送到TMD,接着信号传递到 NBD,NBD则结合并水解ATP,NBD水解ATP后构 象发生变化并传递到TMD,TMD的构象发生变化,底 物被送到通道中,通道朝向外周质的门随即关闭,这 时,朝向胞质的门开放,底物最终被送到胞内.而当 ABC转运蛋白没有膜外结合蛋白时,则是底物直接结 合到TMD上,其他转运过程基本一致.从胞内把底物,比如药物转运到胞外的ABC转运蛋白除了通道内 外的门开放的顺序相反外,其他转运过程基本相同. 3.展望 虽然目前对ABC转运蛋白的研究取得了一定进 展,但得到的结果还很有限,一些关键问题仍然没有 研究清楚,比如,跨膜方式,底物结合方式,水解ATP 机制,TMD与NBD之间的信号传递路径以及转运机制 等.此外,纯化膜蛋白时往往使用去垢剂,得到的晶 体结构可能与实际结构有所出入.因此,在进行晶体 结构研究的同时,需结合生化,电镜及其他研究方法, 利用各个方面研究数据的互相补充和论证,得到较为 正确和完善的研究成果.总之,对ABC转运蛋白结构 与转运机制的深入研究,将对解决多药抗性问题及治 疗相关疾病具有重大的理论指导意义和实际应用价值. 参考文献 conseilGeta1.JBiolChem.2006,281(1):43—5O JonesPMetcffMolLifeSci,2004,61(6):682—699 KitaokaSetF髓SLeft,2006,580(1):137-143 ZaitsevaJetMBD2005,24(11):1901-1910 LevdikOVVMeta1.JMolBiol,2005,345(4):879—892 HungLWNature,1998,396(6712):703—707 LocherKPScience,2002,296(5570):1091一lO98 DawsonRJ4Nature,2006,443(7108):180—185 DaWSONRJF髓SLeu,2o07,581(5):935.938 PinkettHWScience,2007,315(58lO):373—377 HollensteinKeta1.Nature,2007,446(7132):213—216 ChangGeta1.Science,2006,314(5807):1875 HallekopNeta1.脚,tt.20o6,580(4):1036—1O41 Locherl(P.C"r,OpinStructBiol,2Oo4,14(4):426—431 ……