基本信息
- 项目名称：
- 尿嘧啶转运蛋白的结构与机制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品通过蛋白质提纯，结晶，X射线衍射解析三维结构的方法确定了UraA蛋白的2.9埃的三维结构，确定了UraA蛋白的折叠方式，并以结构为基础，通过一系列的生化实验结果提出了一种假说解释UraA转运底物的机理。第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的结构，并发现了一种全新的跨膜转运蛋白质的折叠方式，以此为基础提出了一种全新的理论解释跨膜转运蛋白转运底物的过程。
- 详细介绍：
- 核苷碱基(nucleobases)作为DNA、RNA的重要组成成分，是各种生物必需的分子，而维生素C则在人类健康中起着关键的作用，众所周知，维生素C的摄入不足会导致坏血病。多年研究证明各种核苷碱基以及维生素C的吸收由一类跨膜转运蛋白家族NAT（Nucleobase/Ascorbate Transporter）蛋白介导。然而一直以来生物学家们对于NAT家族蛋白完成跨膜转运的机制并不清楚。 核苷碱基-维生素C转运（NAT）蛋白家族，又称为核苷碱基-阳离子同向转运载体2（NCS2）蛋白家族，在各种生物核苷碱基摄取的生理活动中发挥着重要作用。但是很长时间以来，这一大类蛋白的三维结构信息以及其发挥生理活性的机制一直不得而知。颜宁教授率领的科研小组自建立以来即致力于对膜转运蛋白结构，特别是营养物质：质子共转运蛋白的结构与分子机理的研究，我们在2007年开始了对NAT家族蛋白的研究，首先选取了大肠杆菌尿嘧啶-质子共转运蛋白（Uracil:proton Symporter）UraA这一该家族代表性成员作为研究对象，利用现代结构生物学的方法，终于在2010年4月首次获得了UraA与底物尿嘧啶高达2.8埃的高分辨率三维精细结构。通过对三维晶体结构的分析，我们惊喜地发现：在拥有由14个跨膜片段形成的两个反向重复序列的UraA蛋白中，存在着一种全新的蛋白折叠形式！在第3号和第10号跨膜片段间存在着一对反向平行的beta-折叠片，它们在蛋白结构的维持和蛋白底物的识别中发挥了重要作用。这一发现基本颠覆了一直以来对于膜整合蛋白结构的认知。过去25年的膜蛋白结构生物学研究似乎表明，膜整合蛋白的跨膜区或者只有alpha螺旋，或者只有beta折叠。唯一的例外是S2P蛋白，其在膜边缘处还有三个beta折叠，由于是出于蛋白边缘，还一度被专家质疑是否是由于体外结晶造成的结构变相。而UraA的结构毫无疑义地证明这alpha螺旋和beta折叠两种蛋白二级结构可以在膜蛋白的跨膜区中同时存在，这已发现为研究膜蛋白的折叠和进化提供了重要线索。 进一步结构分析表明UraA在空间排布上呈现两个明显的结构域，即核心结构域和门控结构域。在已有的结构基础上，我们通过大量的体内体外生化实验进一步证明了该蛋白特殊结构的生理意义：蛋白底物尿嘧啶在跨膜转运的过程中首先被准确地定位在两个结构域之间，进而通过核心结构域和门控结构域之间的构像变化完成整个转运过程。我还发现了在底物识别共转运中起关键作用的数个氨基酸。根据序列比较，我进一步提出了NAT家族利用钠离子或质子共转运底物的分子机理。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品通过蛋白质提纯，结晶，X射线衍射解析三维结构的方法确定了UraA蛋白的2.9埃的三维结构，确定了UraA蛋白的折叠方式，并以结构为基础，通过一系列的生化实验结果提出了一种假说解释UraA转运底物的机理。
科学性、先进性及独特之处
- 本作品的研究是第一次得到了NAT家族蛋白的高分辨率的结构，并发现了一种全新的跨膜转运蛋白质的折叠方式，以此为基础提出了一种全新的理论解释跨膜转运蛋白转运底物的过程，加深了人类对膜蛋白结构与功能的理解。
应用价值和现实意义
- 1.为人类了解NAT家族蛋白成员的结构提供了模型 2.加深了人类对跨膜转运蛋白的理解,特别是与哺乳动物维生素C转运蛋白同源跨膜转运蛋白的理解
学术论文摘要
- 碱基/抗坏血酸转运蛋白（nucleobase/ascorbate transporter (NAT)），也叫做碱基/阳离子共转运蛋白2（nucleobase/cation symporter 2 (NCS2)），负责在自然界所有家族的生物体内的碱基的摄取以及在哺乳动物中维生素C的转运。尽管我们已经有对细菌，酵母和哺乳动物中NAT家族成员的功能性描述，但我们仍然没有与NAT家族相关的蛋白质的详细的结构信息。在这里，我们报道了NAT家族中一个代表性的蛋白质的晶体结构，即大肠杆菌中尿嘧啶/氢离子共转运蛋白UraA与尿嘧啶复合体的2.8埃的三维晶体结构。UraA有一个全新的折叠方式，它的14次跨膜区域被分为两个反向的重叠。并且，一对反向折叠的beta折叠片位于TM3和TM10之间，并对结构组织和底物识别起到了重要作用。从空间上看，这个结构可以被划分为为一个核心结构与和一个门控结构域。尿嘧啶处于两个结构域的相互作用的界面上，并且主要由来自核心结构域的残基作用。结构分析表明，底物的交替通路可能由门控结构域的构象变化实现。
获奖情况
- 文章于2011年3月发表于国际著名期刊《nature》， 文章题目为《Structure and mechanism of the uracil transporter UraA》。
鉴定结果
- 该作品在国内外公开文献中未见有与之相同的研究报道。
参考文献
- 1. Saier, M. H. Jr et al. Phylogenetic characterization of novel transport protein families revealed by genome analyses. Biochim. Biophys. Acta 1422, 1–56 (1999). 2. Gournas, C., Papageorgiou, I.& Diallinas, G. The nucleobase-ascorbate transporter (NAT) family: genomics, evolution, structure-function relationships and physiological role. Mol. Biosyst. 4, 404–416 (2008). 3. Tsukaguchi, H. et al. A family of mammalian Na1-dependent L-ascorbic acid transporters. Nature 399, 70–75 (1999). 4. Wang, Y. et al. Human vitamin C (L-ascorbic acid) transporter SVCT1. Biochem. Biophys. Res. Commun. 267, 488–494 (2000). 5. Savini, I., Rossi, A., Pierro, C., Avigliano, L. & Catani, M. V. SVCT1 and SVCT2: key proteins for vitamin C uptake. Amino Acids 34, 347–355 (2008). 6. Yamamoto, S. et al. J. Biol. Chem. 285, 6522–6531 (2010).
同类课题研究水平概述
- 结构生物学研究已经经历了半个世纪的发展，并且已经有不少结构生物学领域的工作已经获得了诺贝尔生理学及医学奖。通过X射线衍射解析蛋白质的三维结构，我们能够获得与蛋白质结构相关的具体信息，同时辅助以有效的生化实验，三维结构能够加深人类对蛋白质结构和功能的理解。由于蛋白质是维持生命活动的最重要的物质，加深对蛋白质的理解能够加深人类对生命的理解，同时能够帮助研究人员设计出更加有效的药物。 膜蛋白占整个蛋白质组中大概三分之一，但是与可溶性蛋白相比，人类目前只获得很少量的与膜蛋白有关的信息，而位于细胞膜上的膜转运蛋白又是起到了非常关键的作用，因为它们是外界物质进入细胞的门户，控制着与细胞活动有关物质的进出。因此，对膜转运蛋白的理解对于了解细胞的生命活动以及相关药物制备起到了非常关键的作用。近10年来，越来越多的膜转运蛋白已经被解析，并且我们已经对部分蛋白的功能机制有了一些初步的研究。其中，很多研究集中在major facilitator superfamily(MFS)和LeuT fold上面。研究结果表明，已知结构的膜转运蛋白共有一些特定的折叠方式，并且一些关键的氨基酸在不同种族的生物中是保守的。我们的工作扩展了人类对膜转运蛋白的了解，并提出了和已知的膜转运蛋白不同的折叠方式。这一工作使我们加深了对膜蛋白的理解，并为将来的药物研发以及对其同源蛋白的理解打下了基础。
