【Nature子刊】从根源解决耐药还得靠蛋白质！

利用核磁共振波谱法（NMR），研究人员能够确定这种蛋白质的结构是如何随着类药物分子的移动而变化的。了解了这种详细的结构，就有可能设计出能够阻断这些转运蛋白的药物，并有助于耐药细菌对现有抗生素重新敏感，麻省理工学院化学教授洪梅（Mei Hong）说。

“了解这种蛋白质的药物结合口袋的结构，那研究人员就可以尝试着设计这些底物的靶药，这样就可以阻断结合位点并防止蛋白质从细胞中清除抗生素。”该论文的资深作者洪梅教授说。

近日，这项研究发表在《Nature Communications》上，题为“High-pH structure of EmrE reveals the mechanism of proton-coupled substrate transport”。

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28556-6

通过细胞膜将药物排出体外是细菌用来逃避抗生素的众多策略之一。几年来，威斯康星大学（University of Wisconsin）生物化学教授Katherine Henzler-Wildman的课题组一直在研究一种名为EmrE的膜结合蛋白，它可以运输许多不同的有毒分子，包括除草剂和抗菌化合物。

EmrE属于小多重耐药（SMR）转运蛋白家族。虽然EmrE不直接参与对抗生素的耐药过程，但在耐药结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）和耐药鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumanii）中发现了该蛋白质家族的其他成员。

“SMR转运蛋白在蛋白质的关键区域具有高度的序列保守性。EmrE是迄今为止体内体外研究得最多的家族成员，因此，它是研究支持SMR活性结构的理想模型。”Henzler-Wildman说。

几年前，洪教授的实验室开发了一种技术，研究人员能够使用核磁共振（NMR）来测量氟探针和氢原子之间的距离。这使得确定蛋白质与含有氟的分子结合时的结构成为可能。

洪梅实验室花了很多年的时间研究EmrE如何通过磷脂膜运输类药物分子或配体。这种配体叫做F4-TPP，是一种四面体分子，有四个氟原子分别附着在四个角上。

利用F4-TPP和洪教授的新核磁共振技术，研究人员就可以着手确定EmrE的原子级分辨率结构。每个EmrE分子包含四个大致平行的跨膜螺旋，两个EmrE分子形成一个二聚体，八个跨膜螺旋形成内壁，F4-TPP通过通道时与内壁相互作用。先前的研究已经揭示了螺旋的整体拓扑结构，但没有揭示延伸到通道内部的蛋白质侧链的拓扑结构，这些侧链就像抓住配体并引导其通过通道的手臂。

EmrE将有毒分子从pH值中性的细菌细胞内部运输到pH值酸性的外部。这种跨膜pH值的变化会影响EmrE的结构。在2021年的一篇论文中，洪教授和Henzler-Wildman发现了蛋白质在酸性环境中与F4-TPP结合时的结构。在《Nature Communications》上发表了一篇新研究论文，题为“Structure and dynamics of the drug-bound bacterial transporter EmrE in lipid bilayers”，他们分析了中性pH值下的蛋白质结构，从而可以确定蛋白质的结构如何随着pH值的变化而变化。

https://doi.org/10.1038/s41467-020-20468-7

研究人员在这项研究中发现，中性pH值下，构成通道的四个螺旋彼此相对平行，从而形成了配体可以轻松进入的入口。随着pH值的下降，EmrE向膜外移动，螺旋开始倾斜，通道向细胞外部开放。这有助于将配体推出通道。同时，在蛋白质侧链中发现的几个环改变了它们的方向，这也有助于引导配体离开通道。

通道的酸性端也会聚集很多质子，质子进入通道并帮助它进一步打开出口，配体更容易离开通道。

洪教授说，“仅了解螺旋的整体拓扑结构是不够的，还需要了解延伸到通道内部的蛋白质侧链的拓扑结构，弄清楚转运蛋白实际上是如何打开细胞膜的两侧的，因为它的作用是将配体或抗生素化合物从细菌内部泵出。”

EmrE通道被认为可以运输许多不同的有毒化合物，因此洪教授及其同事现在正计划着研究其他分子如何通过该通道。（转化医学网360zhyx.com）

参考资料：

https://news.mit.edu/2022/protein-structure-drug-resistance-0218

注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。