单基因突变极大地改变了细菌转运蛋白的结构和功能

一项发表在《生命》杂志上的新研究发现，在一个简单的细菌蛋白质中交换一个氨基酸会改变它的结构和功能，揭示了复杂基因进化的影响。利用大肠杆菌进行的这项研究可以帮助研究人员更好地了解转运蛋白的进化及其在耐药性中的作用。

“我们对微小的突变如何影响转运蛋白的结构和功能感到非常惊讶，”纽约大学(New York University)的化学副教授、该研究的主要作者内特·特拉塞特(Nate Traaseth)说。

细胞被一层薄膜所束缚，这层薄膜保护细胞内部不受外界环境的影响。在这一层是转运蛋白，控制哪些物质可以进出细胞。这些转运体通过在细胞膜的一侧装载货物，然后改变其结构，在另一侧释放物质，从而使物质在细胞膜上活跃地移动。

膜转运体通常由多个重复单元组成。在更复杂的转运蛋白中，每个结构单元的基因序列都融合在一起，形成一个编码蛋白质的基因。

人们认为这种重复的模式是由更小的膜蛋白基因复制和融合而来的。但是，从一个单一的融合基因中产生更复杂的转运蛋白是否具有进化优势呢?

为了研究这个问题，Traaseth和他在纽约大学化学系的同事Maureen Leninger和Ampon (Callie) Sae Her检测了在大肠杆菌中发现的一种简单的转运蛋白，这种蛋白在人类和动物的肠道中大量存在。然而，一些大肠杆菌菌株会导致严重的疾病，并对抗生素产生越来越强的抗药性，当它们利用细胞膜上的转运蛋白排出有毒化合物时，抗生素就会产生抗药性。大肠杆菌的转运体，称为EmrE，包含两个相同的蛋白质亚基，它们共同作用，将有毒分子从细胞膜上转移并从细胞中清除。

实验表明，改变两个蛋白质亚基中的一个中的一个氨基酸(构成蛋白质的基本成分)，使它们彼此之间略有不同，这极大地改变了转运蛋白的结构和功能。微妙的氨基酸交换破坏了向内和向外蛋白质的平衡。

重要的是，改变单一氨基酸改变了转运蛋白从大肠杆菌中清除有毒化学物质的能力。这可能会对未来的药物开发和对抗抗生素耐药性产生影响。

Traaseth说:“虽然这些发现的临床应用还有几步之遥，但了解药物转运蛋白的进化为我们提供了新的视角，了解大自然母亲如何利用突变来提供耐药性。”

研究人员注意到，EmrE转运蛋白的一个相同的一半的微小变化的影响表明膜转运蛋白对突变是多么敏感。

特拉塞特补充说:“这一发现也有助于解释为什么进化青睐由融合基因组成的更复杂的转运蛋白，其中单个氨基酸的变化可以改变转运蛋白的运作方式。”

该研究得到了美国国立卫生研究院(R01 AI108889和S10OD016343)和美国国家科学基金会(MCB 1506420)的支持。