我学者解析大肠杆菌反向转运蛋白结构

本报讯（记者闫洁）3月11日，清华大学生命学院施一公研究组在《自然》杂志上在线发表科研论文，报道了大肠杆菌谷氨酸：γ-氨基丁酸（GABA）反向转运蛋白（GadC）的晶体结构，并结合生化实验提出了GadC转运底物的可能机制。
 
2011年在欧洲暴发的肠溶血性大肠杆菌疫情导致数千人感染，多人死亡，并引起了极大的社会恐慌。大肠杆菌O104:H4菌株是这一疫情的罪魁祸首。食物来源的大肠杆菌必须通过极酸的胃环境才能到达肠道，为保证在如此低的pH下仍然能够存活，大肠杆菌进化出了多个抗酸系统来对抗极酸环境。因此，研究大肠杆菌抗酸机制对人类健康有直接的重要意义。
 
大肠杆菌抗酸系统Ⅱ（Acid Resistance system 2）通过谷氨酸：γ-氨基丁酸反向转运蛋白（GadC）将细胞外的谷氨酸转运到细胞内，在胞浆内谷氨酸发生脱羧反应，消耗一个质子生成γ-氨基丁酸，而产物γ-氨基丁酸再被GadC转运到细胞外。整个过程相当于向细胞外排出一个质子，降低了细胞内的质子浓度，从而起到了抗酸的作用。因此，理解GadC的工作机理对于研究肠道致病菌抗酸系统十分关键。
 
从GadC的三维空间结构信息入手，施一公研究组解析了大肠杆菌GadC高分辨率的晶体结构。结构分析表明，含有12个跨膜螺旋的GadC在pH碱性条件下呈现出转运通道开口朝向胞内的构象。令人惊奇的是，GadC羧基端结构域在细胞内一侧像塞子一样将转运通道封闭住。
 
进一步的生化实验表明，GadC对底物的转运严格依赖于环境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的环境下才具有转运能力，而在pH大于6.5的环境中完全没有活性。羧基端“塞子”结构域在GadC感受pH的过程中起到了重要的调节作用。该机制既保证了抗酸系统在极酸环境中能够启动并转运底物，又防止其在正常生理条件下造成胞内质子不必要的外流。
 
以上研究成果为进一步研究大肠杆菌抗酸机制提供了重要线索。这也是该研究组继2009年、2010年报道Arginine:Agmatine反向转运蛋白AdiC的结构与机理之后，在肠道细菌抗酸性研究中的又一重要成果。