有機底物與蛋白相互作用的方式終於看清楚了——廖軍/高召兵聯合團隊揭示乙酸單向轉運機理

責編 | 迦   漵

生命本質上是關於碳的有機化學【1】。雖然細胞與細胞之間以及細胞與環境之間時刻進行有機物的交換，但是關於這些有機物通過跨膜通道進出細胞的機制研究不多。現有的通道主要聚焦於無機離子的研究（譬如鉀離子、鈉離子、鈣離子、鎂離子和氯離子等【2-9】）。單羧酸類化合物是生命體進行蛋白質、核酸和脂類代謝的重要前體或中間代謝物【1,10】，其跨膜轉運的研究卻非常匱乏。雖然此前施一公組、顏寧組和國際上一些其它實驗室解析了甲酸通道FocA的結構【11-14】，但由於這些蛋白結構中缺乏確鑿的底物，沒能清晰展示通道與底物相互作用的機制。

日前，上海科技大學廖軍實驗室與中科院上海藥物所高召兵實驗室合作在Cell Research雜誌上發表了題為「Succinate-acetate permease from Citrobacter koseri is an anion channel that unidirectionally translocates acetate」的研究成果，獲得了1.8埃解析度的乙酸通道蛋白SatP_Ck與乙酸的複合物結構，首次清晰地顯示了有機底物與蛋白相互作用的方式。

乙酸是一類重要的代謝產物。在地球的碳循環中，大約三分之二的生物類甲烷來自乙酸【15】。哺乳動物的腸道微生物對食物的降解也產生大量乙酸。在人體中，乙酸佔短鏈脂肪酸終產物含量超過一半【16】，並參與宿主的各種信號通路。雖然生物信息學顯示Succinate-Acetate Permease（SatP） 是一個大家族，有超過3千多個不同蛋白序列，但到底是transporter（轉運蛋白）還是channel（離子通道）並不清楚。廖軍和高召兵實驗室合作的研究成果不但表明SatP_Ck（Citrobacter koseri）是一個以107/秒轉運乙酸的通道蛋白，而且該通道蛋白可以單向轉運乙酸根。原來的channel領域雖然有很多整流通道蛋白的報導，但還沒有一個被報導是單向通道蛋白的。

乙酸根具有雙親性的有機物的典型結構特徵，包含親水部和疏水部。乙酸通道蛋白SatP_Ck與乙酸的複合物結構清晰顯示了乙酸親水部和疏水部在通道中分別與相關的極性基團和疏水基團相互作用的方式。有趣的是，乙酸根是以旋轉的方式通過通道的。現在還不清楚這種旋轉方式對於離子通過通道是否必須。在以往的離子通道研究中，由於無機離子通常是對稱的球形，所以沒有關於離子旋轉的報導。

荷電的離子穿越脂雙層時要克服能壘【17】，SatP_Ck的通道中布滿了芳環基團，這些基團通過anion-pi相互作用穩定了乙酸根。以往，這種anion-pi相互作用被認為是氯離子通道蛋白和氟離子通道蛋白離子選擇性的一個重要基礎【4,18,19】。SatP_Ck與乙酸根的複合物結構表明，anion-pi相互作用可能更多是穩定陰離子跨膜轉運的電荷平衡的策略。

SatP_Ck六聚體結構

在經典的陽離子通道蛋白（譬如鉀離子、鈉離子、鈣離子通道）中，陽離子的脫水機制被認為是實現離子選擇性的一個重要因素【2,8】。這些通道通常含有選擇性濾器(selectivity filter)。選擇性濾器構成通道最狹窄的部分。不同離子通過這些濾器時，由於離子-配體配位化學（包括配位形狀，鍵長和鍵角等）和離子脫水能量的不同，只有配位最好和耗費能量最低的離子通過其合適的濾器，從而實現離子的選擇性。SatP_Ck的結構卻顯示乙酸根從溶液進入通道採取分步脫水的方式，這種分步脫水有利於離子逐級克服穿越通道的能壘，從而可能是SatP_Ck實現乙酸單向轉運的重要機制。

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