Nature：張鵬等揭示ECF轉運蛋白跨膜轉運葉酸的分子機制

能量耦合因子型（ECF）葉酸轉運蛋白面向內（inward-facing）的晶體結構

　　4月14日，中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所張鵬課題組首次解析了來源于乳酸桿菌的能量耦合因子型（Energy Coupling Factor，ECF）葉酸轉運蛋白面向內（inward-facing）的晶體結構（a），揭示了ECF轉運蛋白跨膜轉運葉酸的分子機制。相關研究論文刊登在了近期出版的《自然》（Nature）雜志上。

　　葉酸參與細胞內眾多重要生化過程，包括DNA和氨基酸的合成。植物以及多數微生物能自身合成葉酸，而人和動物體不能合成葉酸。研究表明人體葉酸攝入不足會導致胎兒神經系統發育的缺陷、巨幼細胞貧血等重大疾病。據統計我國居民中葉酸攝入不足的比例高達20%，每年有近10萬新生兒因葉酸缺乏導致神經系統發育缺陷。因此，通過育種途徑培育富含葉酸的作物品種對提高國民健康水平具有重要意義。雖然科學家們經過長期的研究闡明了葉酸的合成途徑，并發現葉酸是通過多種轉運蛋白在細胞或者細胞器之間穿梭，但關于其跨膜轉運的機制一直不清楚。

　　ECF轉運蛋白屬于新的ABC(ATP Binding Cassette)轉運蛋白，主要轉運多種B族維生素和微量元素。該復合體由細胞膜上底物結合蛋白S、和由膜結合蛋白T、胞內ATP結合蛋白A/A’組成的能量耦合模塊構成。ECF轉運蛋白分為耦合模塊專用型和共享型兩類：前者每一種S蛋白均有各自獨立的能量耦合模塊；后者有幾種不同的S蛋白，但共享相同的能量耦合模塊。與經典的ABC轉運蛋白中的內向轉運蛋白相比，其顯著特點在于不存在膜外底物結合蛋白BP（b）以及不同S蛋白可以共享能量耦合模塊。

　　此次解析的葉酸ECF轉運蛋白結構是迄今第一個ECF型ABC轉運蛋白復合體的結構，也是葉酸跨膜轉運蛋白的首個結構。研究發現：四個組成該復合體的蛋白中，T蛋白的五個跨膜alpha螺旋與三個胞內負責能量耦合的alpha螺旋近似垂直，形成 “L”型構象，兩個互相交叉呈“X”型的胞內alpha螺旋構成T蛋白的L型短臂；S蛋白則由六個跨膜alpha螺旋組成，斜插在膜內且躺在T蛋白“L”型短臂上方； A/A'蛋白并排排列在T 蛋白“L”型短臂的下方，通過表面的凹槽與T蛋白中呈“X”型的兩個alpha螺旋兩端的精氨酸loop相互結合。這一結構的解析揭示了ECF轉運蛋白與經典ABC轉運蛋白的顯著差異、能量耦合的結構基礎，結合轉運活性實驗以及與經典ABC轉運蛋白的比較分析，提出了葉酸通過ECF轉運蛋白跨膜轉運機制的模型（c）。這是膜轉運蛋白研究領域的重大突破，一方面使人們對ABC轉運蛋白跨膜轉運的機理有了全新的理解，更為重要的是為人們理解維生素（特別是葉酸）如何跨細胞膜轉運進入細胞的過程邁出了一大步。（同一期Nature 上報道了清華大學施一公教授研究組的另一ECF轉運蛋白的結構，得出了與我們相似的結論。）

　　中科院上海生科院植物生理生態研究所張鵬課題組的博士生許可、趙琴、助理研究員張敏華和生化細胞所丁建平課題組的助理研究員俞芳作為文章的共同第一作者。該研究得到了國家科技部、上海市、中科院和依托單位的資助。感謝上海光源BL17U線站在實驗數據收集中的支持與幫助。