Cell | 破解多年难题！陈珏院士团队发现溶血素 A 分泌系统是包含三个ABC转运蛋白的多引擎泵

1 型分泌系统 (T1SS) 广泛存在于致病性革兰氏阴性细菌中，在整个多肽合成后蛋白质底物被分泌。长期以来，大肠杆菌溶血素 A 分泌系统一直被认为是 T1SS 结构和机制研究的原型。分泌需要三种膜蛋白——内膜 ABC 转运蛋白 HlyB、衔接蛋白 HlyD 和外膜孔蛋白 TolC。然而，复合物的化学计量和结构是未知的。

2022年9月1日，洛克菲勒大学陈珏院士（2019年当选为美国国家科学院院士）团队在Cell 在线发表题为“The hemolysin A secretion system is a multi-engine pump containing three ABC transporters”的研究论文，该研究在两种构象中确定的冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 结构表明，内膜复合物是一个异十二聚体组件，包含三个 HlyB 同源二聚体和六个 HlyD 亚基。

功能研究表明，HlyB 和 HlyD 的寡聚化对于蛋白质分泌至关重要，并且多肽通过 HlyB 中的规范 ABC 转运蛋白途径易位。总之，该研究数据表明，T1SSs 需要三种 ABC 转运蛋白，一种作为蛋白质通道发挥作用，另一种以变构方式为易位过程提供动力。

1 型分泌系统 (T1SS) 是革兰氏阴性菌中简单但高效的蛋白质易位系统，能够分泌 20 至 1,500 kDa 的底物。此外，分泌信号编码在底物的 C 端序列中，这意味着在多肽完全合成后发生分泌。因此，T1SS 的机制必须与充分表征的 Sec translocon 的机制不同。

大肠杆菌溶血素 A (HlyA) 运输系统长期以来一直被用作研究 T1SS 的模型。底物 HlyA 是一种 110 kDa 的毒素，以其溶解红细胞的能力命名。HlyA 以未折叠状态从细胞质分泌到细胞外空间，细胞外 Ca2+ 在那里诱导其折叠。转运系统包括两种特定的内膜蛋白 HlyB 和 HlyD，以及普遍存在的外膜蛋白 TolC。

HlyB 属于 ATP 结合盒 (ABC) 转运蛋白超家族；由 ATP 水解驱动的分子泵。HlyB 中消除 ATP 水解的突变也阻止了 HlyA 的分泌，证明了蛋白质输出的 ATP 依赖性。与所有 ABC 转运蛋白一样，HlyB 包含两个跨膜结构域 (TMD) 和两个核苷酸结合结构域 (NBD)。此外，HlyB 和大多数其他内膜 T1SS 含有一个 N 端 C39 样结构域 (CLD)——该区域与 C39 半胱氨酸蛋白酶同源，但没有催化半胱氨酸残基，因此没有酶活性。

HlyD 是革兰氏阴性菌特有的一种周质衔接蛋白。它包含一个小的 N 端胞质结构域、一个单跨膜 (TM) 螺旋和一个与 TolC 相互作用的大周质结构域。与 HlyD 同源的蛋白质也存在于tripartite药物流出系统中，它们在其中形成内膜转运蛋白和外膜孔蛋白之间的关键链接。

虽然 HlyB 和 HlyD 专用于 HlyA 的分泌，但 TolC 是一种多功能孔蛋白，涉及许多运输系统，包括tripartite药物外排系统。体内交联实验表明，底物诱导 HlyA 分泌装置的动态组装。HlyB 和 HlyD 的组成复合物仍然锚定在内膜中。在底物结合后，可能与 HlyD 的细胞质区域和 HlyB 的 CLD 结合，TolC 被接合，并在细胞质和细胞外空间之间形成一个短暂的“蛋白质隧道”。

虽然结构信息可用于 TolC以及 HlyB 和 HlyD 的可溶结构域，但复合物的化学计量和结构，以及因此多肽转运的途径和机制，仍然未知。在这项研究中，该研究使用单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 分别以 2.9 和 3.4 Å 的分辨率确定了在不存在和存在 ATP 的情况下组成型内膜 HlyB/D 复合物的结构。这些结构揭示了三个 HlyB 同型二聚体和六个 HlyD 单体的异十二聚体组装，其结构不同于任何其他 ABC 转运蛋白系统。

功能测定进一步表明寡聚化对于 HlyA 分泌至关重要，并且多肽通过单个 HlyB 二聚体的规范底物易位途径而不是复合物的中心孔进行易位。与tripartite多药外排系统相比，HlyB/D 复合物的独特结构表明，不同的机制被用于在细菌包膜中分泌小分子与大蛋白质底物。总之，该研究数据表明，T1SSs 需要三种 ABC 转运蛋白，一种作为蛋白质通道发挥作用，另一种以变构方式为易位过程提供动力。

参考消息：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00920-5#%20

转自：“iNature”微信公众号

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