2015年--遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)翻譯 --脂連接寡聚糖翻轉(zhuǎn)酶的結(jié)構(gòu)與催化機(jī)制（譯文）

1、<p><b>　　中文6260字</b></p><p>　　出處：Perez C, Gerber S, Boilevin J, et al. Structure and mechanism of an active lipid-linked oligosaccharide flippase[J]. Nature, 2015,524(7566):433-438.</p>

2、;<p>　　脂連接寡聚糖翻轉(zhuǎn)酶的結(jié)構(gòu)與催化機(jī)制</p><p>　　鑲嵌在膜中的脂類具有較大的極性頭部基團(tuán)，它們的翻轉(zhuǎn)過程是緩慢的，并且極為不利的。因此，這一過程需要翻轉(zhuǎn)酶來催化，但其催化機(jī)制卻是未知的。一個(gè)關(guān)于翻轉(zhuǎn)反應(yīng)的著名例子是可在蛋白質(zhì)的N-連接糖基化作為供體的脂連接寡聚糖的轉(zhuǎn)位。在空腸彎曲桿菌中，這一過程是由一種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體——PglK催化的?；诓煌瑺顟B(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)，我們在此提出一個(gè)由P

3、glK催化的脂連接寡聚糖的翻轉(zhuǎn)機(jī)制。在體外，PglK能夠運(yùn)用內(nèi)部和外部的構(gòu)象，但是只有外部的構(gòu)象才是催化翻轉(zhuǎn)反應(yīng)所需要的。 當(dāng)脂連接寡聚糖鏈的焦磷酸-寡聚糖鏈頭部基團(tuán)進(jìn)入了轉(zhuǎn)位腔后，會(huì)與周邊肽鏈上的正電荷發(fā)生相互作用；而脂質(zhì)的多聚異戊二烯尾則結(jié)合并激活該轉(zhuǎn)運(yùn)體，但在翻轉(zhuǎn)過程中，它仍位于脂雙層中。我們所提出這種機(jī)制與適用于其他轉(zhuǎn)運(yùn)體的經(jīng)典交替通路模型是有本質(zhì)區(qū)別的。</p><p>　　脂質(zhì)從膜的一側(cè)轉(zhuǎn)至另一側(cè)，被

4、稱為翻轉(zhuǎn)，這不僅是維持膜的不對稱性所必須的，而且也是許多生化過程的基礎(chǔ)，比如說，信號傳輸、分泌和細(xì)胞內(nèi)吞中的囊泡形成、膜蛋白活性的調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)天冬氨酰殘基的糖基化。在動(dòng)物中，脂質(zhì)雙分子層兩側(cè)的不對稱性影響著許多活動(dòng)，比如說凝血作用、巨噬細(xì)胞識別過程和細(xì)胞凋亡。在細(xì)菌中，細(xì)胞壁成分的前體物質(zhì)被耦聯(lián)在脂質(zhì)載體中，隨著脂質(zhì)的翻轉(zhuǎn)而運(yùn)出細(xì)胞外，這對細(xì)胞壁的形成來說是極其重要的。翻轉(zhuǎn)反應(yīng)是由主動(dòng)的，或者說活躍的轉(zhuǎn)運(yùn)體蛋白所催化。這些蛋白包括通過消

5、耗能量使得脂質(zhì)在雙分子層隨機(jī)分布的爬行酶（scramblases），由H+或Na+驅(qū)動(dòng)的對向運(yùn)輸載體，和由ATP驅(qū)動(dòng)的定向轉(zhuǎn)運(yùn)特定脂質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)體。后者包括P4-ATPases和ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體。</p><p>　　盡管有了廣泛的研究，但關(guān)于由翻轉(zhuǎn)酶催化的脂質(zhì)快速翻轉(zhuǎn)反應(yīng)的過程和機(jī)制仍然知之甚少。直到現(xiàn)在，只有細(xì)菌翻轉(zhuǎn)酶的核心——MsbA蛋白的晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)導(dǎo)公布出來，但是根據(jù)這點(diǎn)資料無法推斷出任何相關(guān)機(jī)制。除了缺乏結(jié)構(gòu)

6、方面的資料外，可用于天然底物翻轉(zhuǎn)反應(yīng)研究的可靠體外試驗(yàn)分析也太稀少。</p><p>　　原核生物翻轉(zhuǎn)酶的一種主要底物是Man5GlcNAc2-PP-dolichol，一種脂連接寡聚糖（LLO），它可以從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的胞質(zhì)一側(cè)轉(zhuǎn)移至網(wǎng)腔一側(cè)，然后寡聚糖鏈被轉(zhuǎn)移到新合成肽鏈的天冬氨酸殘基上，從而形成蛋白質(zhì)的N-連接糖基化。在同源細(xì)菌的N-連接糖基化途徑中，一種化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的LLO（GlcGalNAc5Bac-PP-un

7、decaprenyl）在人類致病菌——空腸彎曲菌中出現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)。作為該過程的催化酶，PglK是一種同二聚體的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體，并且在細(xì)菌蛋白質(zhì)N-連接糖基化過程中是必不可少的。在寡聚糖鏈轉(zhuǎn)移酶PglB作用下，已翻轉(zhuǎn)的LLO的寡聚糖鏈部分被轉(zhuǎn)移到受體蛋白質(zhì)上；而十一異戊二烯焦磷酸鹽部分然后在十一異戊二烯焦磷酸酶的催化下水解為單磷酸鹽。</p><p>　　為了探明由ATP驅(qū)動(dòng)的LLO翻轉(zhuǎn)反應(yīng)的機(jī)制，我們研發(fā)出了體外分析方

8、法，并測定出了空腸彎曲菌的PglK在不同狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)。我們的研究結(jié)構(gòu)揭示了這樣一種機(jī)制：只有PglK的外部構(gòu)象與翻轉(zhuǎn)反應(yīng)有關(guān)，從而在允許寡聚糖鏈穿過轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的情況下，而附著在PglK表面的多聚異戊二烯尾仍然部分嵌在脂雙層中。這一新提出的機(jī)制與用于解釋目前研究的大多數(shù)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白催化機(jī)制的交替通路模型迥然不同。</p><p>　　體外實(shí)驗(yàn)中PglK催化LLO翻轉(zhuǎn)和ATP水解的活性</p><p

9、>　　人們之前已經(jīng)采用放射性同位素標(biāo)記的天然脂質(zhì)來研究多聚異戊二烯連接的寡聚糖的翻轉(zhuǎn)過程。然而我們發(fā)現(xiàn)PglK無論是在體外還是在體內(nèi)，都可以催化寡聚糖鏈有所縮短的LLOs。于是，我們再重組PglK和一種糖鏈部分為三糖的LLOs（tLLO），得到了一種蛋白脂質(zhì)體。這種蛋白脂質(zhì)體（Fig.1a ）有一個(gè)還原末端和兩個(gè)N-乙酰半乳糖胺（N-acetylgalactosamine，GalNAc）部分。此外，還使用了純化的糖基轉(zhuǎn)移酶PglH

10、。這種酶在空腸彎曲菌中的N-連接糖基化過程有著重要作用，它可以使tLLO的非還原端最多加上三個(gè)GalNAc殘基。我們借此來對位于蛋白脂質(zhì)體外層可被翻轉(zhuǎn)的tLLO進(jìn)行放射性標(biāo)記，以便可以準(zhǔn)確測定由ATP驅(qū)動(dòng)的、依賴于PglK的tLLO翻轉(zhuǎn)反應(yīng)的速率。我們通過使用足量的UDP-GalNAc，來確保每一個(gè)tLLO分子均被加上了三個(gè)GalNAc分子，以便能準(zhǔn)確測定tLLO是否翻轉(zhuǎn)到蛋白脂質(zhì)體的內(nèi)部（Fig. 1b )。通過用純化的寡聚糖鏈轉(zhuǎn)移酶

11、PglB把結(jié)果中得到的寡聚糖鏈轉(zhuǎn)移到熒光標(biāo)記的受體多肽上，然后再進(jìn)行SBS-PAGE分析，從而證實(shí)了tLLO轉(zhuǎn)變?yōu)榱荓LO這一過程</p><p>　　不同狀態(tài)下PglK的結(jié)構(gòu)</p><p>　　我們測定了分辨率從2.9Å到5.9Å內(nèi)的PglK突變型E510Q的三種晶體結(jié)構(gòu)（Fig. 2a）。其中兩種是這種載脂蛋白的高分辨率結(jié)構(gòu)圖，并顯示出了內(nèi)部構(gòu)象（分別編名為ap

12、o-inward-1和apo-inward-2）；而第三種是結(jié)合了ADP的PglK的，這是一種全新的、胞外閉合（outward-occluded）構(gòu)象。鑒于后者有限的分辨率，我們在建模時(shí)借助了一個(gè)先前的發(fā)現(xiàn)——ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體跨膜部分的螺旋在發(fā)生構(gòu)象改變時(shí)總是成對變化的。此外，我們還通過收集有關(guān)晶體和硒代半胱氨酸衍生物的反常衍射（anomalous diffraction）數(shù)據(jù)來證實(shí)所建立的模型。</p><p>　

13、　PglK的折疊方式和其他ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體相似，正如細(xì)菌ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體Sav1866的結(jié)構(gòu)所顯示的那樣。然而，PglK含有一個(gè)額外的短α-螺旋（稱之為螺旋“EH”）。EH處于細(xì)胞膜中，并與膜平面相平行（見下）。我們使用十二烷基麥芽糖新戊二醇（LMNG）作為去垢劑，得到PglK的晶體，從而獲得apo-inward-1和胞外閉合結(jié)構(gòu)；而apo-inward-2則是使用十二烷基-β-D-麥芽糖苷（DDM）作為去垢劑而獲得的。三種晶體結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系是

14、顯著的，正如結(jié)晶情況所顯示的那樣。本項(xiàng)發(fā)現(xiàn)揭示去垢劑的種類和格子聯(lián)系，而非蛋白質(zhì)固有的性質(zhì)，決定了內(nèi)部構(gòu)象中的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NBD）的分離程度。但相反的是，在對幾種ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)和數(shù)種分離的ABC結(jié)構(gòu)域的觀察中發(fā)現(xiàn)，在胞外閉合狀態(tài)下的NBD排列酷似“封閉的兩層三明治”。這三種PglK結(jié)構(gòu)之間的比較表明主要的構(gòu)象變化包含了一種類似于剪刀樣的運(yùn)動(dòng)，也就是說，跨膜螺旋TM4和TM5一起朝TM6運(yùn)動(dòng)，二者傾斜16°（

15、apo-inward-1 vs apo-inward-2）或者是50°（apo-inward-1 vs outward-occlud</p><p>　　外部螺旋EH在PglK-LLO相互作用中的作用</p><p>　　連結(jié)PglK的跨膜螺旋TM1和TM2的環(huán)包含外部螺旋EH（Figs 2a and 3a)。而它的周邊（與跨膜區(qū)域相關(guān)）由數(shù)個(gè)疏水作用、親水作用和陽離子-π確定（

16、Fig.3a）。其結(jié)果就是，在靠近膜外邊緣的地方，形成了兩個(gè)疏水的溝——分別位于EH和TM1、TM2之間（Fig.3a）。鑒于它不尋常的位置和表面，我們通過研究體內(nèi)外的PglK突變來探尋EH之間的功能聯(lián)系。我們產(chǎn)生了一個(gè)缺失突變（稱為△EH），△EH的整個(gè)螺旋（殘基S46-P67）都被一段由八個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的靈活連接體所取代。此外，還產(chǎn)生了一個(gè)原有的Tyr殘基為Ala殘基所取代的三突變體（Y50A/Y56A/Y63A，稱為EHm1），

17、和一個(gè)涉及穩(wěn)定性的帶正電荷的氨基酸殘基突變的二突變體（R53A/K55A，稱為EHm2）。當(dāng)重組成脂質(zhì)體后，這三種EH突變體表現(xiàn)出了和野生型一樣的基礎(chǔ)ATP酶活性。然而，LLO無法激活其ATP酶活性，這說明三種突變體已經(jīng)失去了EH所具有的作用——連結(jié)LLO，從而激活A(yù)TP酶活性（Fig.3b）。在去垢劑中，EHm1和EHm2的基礎(chǔ)ATP酶活性高于野生型的；然而△EH的則略低于野生型的。然而值得注意</p><p>

18、;　　據(jù)我們推測，在EH附近形成的疏水溝（Fig.3a）也許有助于LLO結(jié)合到PglK上。這樣的一種相互作用可能會(huì)錨定LLO的脂質(zhì)尾部，有利焦磷酸部分的定位，從而以便其進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)穴之中，進(jìn)而引發(fā)整個(gè)翻轉(zhuǎn)過程。因?yàn)闊o法測定PglK結(jié)合LLO時(shí)的結(jié)構(gòu)，我們用人工合成的化合物代替結(jié)構(gòu)上被截短了的天然LLO（Fig.3e）。值得注意的是，截短了的LLOs都無法激活整合到蛋白脂質(zhì)體中的PglK的ATP酶活性。這也就說明了，縮短了的多聚異戊二烯尾（在

19、geranyl-geranyl-PP-GlcNac中，最多為20個(gè)碳原子）也許會(huì)阻礙它們?yōu)槲挥谥p層中的PglK所識別。相反的是，當(dāng)在去垢劑中時(shí)，PglK的ATP酶活性可以被法尼基焦磷酸（FPP）、farnesyl-PP-GlcNAc和geranyl-geranyl-PP-GlcNac所激活。和在脂雙層不同的是，在去垢劑中PglK的ATP酶活性激活可能是因?yàn)橥瑫r(shí)結(jié)合了多個(gè)截短了的LLO分子。泛醌，一種具有和天然LLO相似的多聚異戊二烯尾

20、、而頭部完全不同的分子（Fig. 3e），無論是在去垢劑中，還是在脂質(zhì)體中，均無法激活PglK的ATP酶活性。這顯示，多聚異戊</p><p>　　內(nèi)部穴和外部穴的功能</p><p>　　PglK結(jié)構(gòu)的內(nèi)面有一個(gè)比較大的穴，它面朝細(xì)胞質(zhì)，并且通到了脂雙層的內(nèi)面（Fig.4a）。在其他無核苷酸結(jié)合、面向內(nèi)部狀態(tài)時(shí)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體中也發(fā)現(xiàn)了相似的穴，它們被認(rèn)為是底物結(jié)合部位。于是，也許有人會(huì)推測

21、，在LLO翻轉(zhuǎn)過程中，由55個(gè)碳原子構(gòu)成的多聚異戊二烯尾從脂雙層中折疊（或者說“卷曲”）進(jìn)入了疏水的內(nèi)部穴中（Fig. 4a）。盡管這難以與EH協(xié)助LLO相互作用中的必要屬性相一致，但我們還是探討了這一假想，并且在PglK的每個(gè)亞單位中（S294F/V297W）各插入了兩個(gè)大的氨基酸殘基，從而使得內(nèi)部的疏水穴的體積減少了大約60%。這種突變體無論在體外還是體內(nèi)，都保持著和野生型一樣的翻轉(zhuǎn)速率和ATP酶激活特性。這也就反駁了內(nèi)部的穴參與多

22、聚異戊二烯結(jié)合過程，并說明多聚異戊二烯尾在翻轉(zhuǎn)過程中仍然是保持在時(shí)脂雙層中。</p><p>　　我們接下來考慮是否是焦磷酸-寡聚糖鏈頭部基團(tuán)在翻轉(zhuǎn)過程中被轉(zhuǎn)運(yùn)到了內(nèi)部的穴。然而，這似乎是極其不可能的，原因是：作為ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體功能區(qū)切換的結(jié)果，PglK每個(gè)亞單位中的TM4-TM5相互交叉，并且結(jié)合與之相對的亞單位上的NBD。由內(nèi)面結(jié)構(gòu)所形成的穴因此也就由TM4和TM6來確定（Fig.2b）。如果LLO的焦磷酸和寡

23、聚糖鏈部分進(jìn)入了這個(gè)穴中，LLO分子會(huì)在翻轉(zhuǎn)過程中被“掐斷”，因?yàn)門M4和TM6之間的間隙會(huì)關(guān)閉，而一個(gè)新的開向外面的間隙（TM1和TM3之間）會(huì)打開。這會(huì)困住LLO分子，并且產(chǎn)生嚴(yán)重的原子空間碰撞，從而阻礙底物的釋放?；谝陨系目紤]，不可避免地會(huì)得出這樣一個(gè)結(jié)論——在PglK催化的翻轉(zhuǎn)過程循環(huán)中，內(nèi)部的穴并不參與LLO的結(jié)合。</p><p>　　外部穴與內(nèi)部穴在化學(xué)屬性上完全不同。翻閱以前的研究，我們基于Sa

24、v1866構(gòu)建了一個(gè)完整的PglK的外部穴的結(jié)構(gòu)。這一模型具有一個(gè)和胞外閉合結(jié)構(gòu)相似的穴，但有一個(gè)更大的開向細(xì)胞膜胞質(zhì)一側(cè)的開口（Fig.4a，b）。在兩種狀態(tài)下，外部的穴幾乎跨過了整個(gè)細(xì)胞膜，并且雖然向胞外閉合部分無法提供充足的空間來容納LLO的焦磷酸和寡聚糖鏈部分，但是整個(gè)外部空間卻可以。我們確定了排列在外部穴內(nèi)面的多個(gè)Arg殘基（R86，R260，R302和R309）共產(chǎn)生了八個(gè)正電荷（Fig.4b）。由于在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體從朝內(nèi)狀態(tài)

25、變?yōu)槌鉅顟B(tài)的剪切運(yùn)動(dòng)，這些Arg被包埋，在朝內(nèi)構(gòu)象時(shí)形成鹽橋；但是當(dāng)PglK變?yōu)槌鈽?gòu)象或者向胞外閉合時(shí)，卻暴露出來。因?yàn)锳rg也許會(huì)參與LLO的焦磷酸部分的結(jié)合，我們產(chǎn)生了每個(gè)位點(diǎn)的單個(gè)Ala替換突變（R86A，R260A，R302A和R309A）和一個(gè)所有電荷都缺失了的四位點(diǎn)的突變。雖然單位點(diǎn)突變體在體內(nèi)和體外仍然具有一定程度的催化翻轉(zhuǎn)活性，但是，四位點(diǎn)突變體無法催化LLO翻轉(zhuǎn)（Fig.4d，e）。而且，雖然單位點(diǎn)突變體的ATP酶

26、活性可被LLO一定程度的激活（盡管基礎(chǔ)ATP酶活性有所下</p><p><b>　　翻轉(zhuǎn)機(jī)制</b></p><p>　　日積月累的生化和結(jié)構(gòu)資料讓我們提出了一個(gè)PglK催化LLO翻轉(zhuǎn)的機(jī)制，如Fig.5所示。PglK與催化活性相關(guān)的兩種構(gòu)象分別稱為向胞外閉合構(gòu)象（ADP結(jié)合狀態(tài)）和朝外構(gòu)象（ATP結(jié)合狀態(tài)）。鑒于細(xì)胞內(nèi)的ADP和ATP濃度只有微摩級，轉(zhuǎn)運(yùn)體的分離狀

27、態(tài)，以一種朝內(nèi)結(jié)構(gòu)為代表，可能是短暫而稀少的。ATP和ADP之間的快速交換，不會(huì)允許同二聚體蛋白PglK的所有ATP結(jié)合部位同時(shí)處于一種未結(jié)合核苷酸的狀態(tài)。我們提出這樣一種假設(shè)，當(dāng)LLO的多聚異戊二烯尾與PglK表面的EH及其周邊相互作用時(shí)，其焦磷酸部分直接進(jìn)入ATP結(jié)合狀態(tài)時(shí)的外部穴中，并與Arg殘基之間產(chǎn)生靜電作用。而寡聚糖鏈部分則跟隨焦磷酸部分，但在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中不需與PglK產(chǎn)生任何特定的相互作用。這也就能夠解釋翻轉(zhuǎn)反應(yīng)對多糖長度的

28、低選擇性或者低特異性。這一假說與觀察到PglK可轉(zhuǎn)運(yùn)通常由MOP（multidrug/oligosaccharidyl-lipid/polysaccharide）型翻轉(zhuǎn)酶Wzx所轉(zhuǎn)運(yùn)的不同的LLOs。這也可以說明相關(guān)的ABC型翻轉(zhuǎn)酶是如何在菌體抗原產(chǎn)生過程中轉(zhuǎn)運(yùn)長的、直線型的高聚糖鏈：因?yàn)檠娱L了的寡聚糖鏈被想象為</p><p>　　我們推斷出來的PglK催化下的LLO翻轉(zhuǎn)機(jī)制與P4-ATP翻轉(zhuǎn)酶催化磷脂翻轉(zhuǎn)的“

29、刷卡”模型（“credit card swipe”model）有些相似。不過有兩個(gè)重要的區(qū)別：一是多聚異戊二烯尾借由EH與PglK表面相識別，二是在翻轉(zhuǎn)過程中需要一個(gè)長的、足夠?qū)挼目梢匀菁{下焦磷酸和官井頭路部分的轉(zhuǎn)運(yùn)通道。我們的機(jī)制與MsbA作用機(jī)制是有區(qū)別的，那一機(jī)制認(rèn)為整個(gè)脂質(zhì)A核心都應(yīng)該是進(jìn)入了轉(zhuǎn)運(yùn)體內(nèi)部的、無核苷酸狀態(tài)中。更概括的說，我們提出的這個(gè)假設(shè)與用于解釋轉(zhuǎn)運(yùn)小的、親水底物的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制的交替通路模型也是有區(qū)別的。</p

30、><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　我們的結(jié)果確定了ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體催化脂連接寡聚糖鏈翻轉(zhuǎn)過程的結(jié)構(gòu)和機(jī)制基礎(chǔ)。這些資料揭示了一種適用于含有焦磷酸部分和線性多聚糖鏈的大頭部基團(tuán)翻轉(zhuǎn)機(jī)制。頭部基團(tuán)在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中被脂雙層所保護(hù)。我們猜測直接進(jìn)入朝外構(gòu)象和脂肪尾與轉(zhuǎn)運(yùn)體朝膜表面的相互作用也許會(huì)是其他ABC類型的LLO翻轉(zhuǎn)酶的一個(gè)特征，甚至也或許是在細(xì)菌細(xì)胞壁形成或