单一突变会大大改变细菌转运蛋白的结构与功能

在发表在《电子人生》杂志上的一项新研究发现，将单个氨基酸交换到简单的细菌蛋白质中会改变其结构和功能，揭示复杂基因进化的影响。这项利用大肠杆菌进行的研究可以帮助研究人员更好地理解转运蛋白的进化及其在耐药性中的作用。

纽约大学化学副教授，该研究的资深作者内特·特拉瑟斯说：“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。”

细胞由一层薄膜层约束，该薄膜层保护其内部不受外界环境的影响。在该层中是转运蛋白，其控制允许哪些物质进出细胞。这些转运蛋白通过在该层的一侧装载货物，然后改变其结构以在另一侧释放它，从而主动地使物质在细胞膜上移动。

膜转运蛋白通常由多个重复单元组成。在更复杂的转运蛋白中，每个结构单元的遗传序列融合在一起，成为编码该蛋白质的单个基因。

可以认为，重复的模式是由较小的膜蛋白基因演化而来，该基因已经复制并融合在一起。但是，从单个融合基因产生更复杂的转运蛋白是否具有进化优势?

为了对此进行调查，纽约大学化学系的Traaseth及其同事Maureen Leninger和Ampon(Callie)Sae Her检查了一种在大肠杆菌中发现的简单转运蛋白，该细菌在人和动物肠道中含量很高。但是，某些大肠杆菌菌株可能会导致严重疾病，并且对抗生素的抵抗力会越来越强，这种情况发生在使用膜上的转运蛋白将有毒化合物泵出时。的大肠杆菌转运蛋白，称为埃姆雷，包含一起工作以通过膜移动毒性分子并从细胞消除它们两个相同的蛋白质亚基。

实验表明，改变两个蛋白质亚基之一中的单个氨基酸(构成蛋白质的结构单元)，使其彼此略有不同，从而大大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的平衡。

重要的是，改变单个氨基酸改变了转运蛋白从大肠杆菌中去除有毒化学物质的能力，并降低了细菌对药物的抗药性，这可能对药物开发和抗药性产生未来的影响。

Traaseth说：“尽管这些发现的临床应用距离我们只有几步之遥，但了解药物转运蛋白的进化使我们对大自然母亲如何利用突变提供耐药性有了新的认识。”

研究人员指出，对EmrE转运蛋白的一半相同的部分进行微小变化的影响证明了膜转运蛋白对突变的敏感性。

Traaseth补充说：“这一观察结果也可以帮助解释为什么进化偏爱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。”

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