核苷堿基(nucleobases)作為DNA、RNA的重要組成成分,，是各種生物必需的分子,，而維生素C則在人類健康中起著關(guān)鍵的作用，眾所周知,，維生素C的攝入不足會導(dǎo)致壞血病,。多年研究證明各種核苷堿基以及維生素C的吸收由一類跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族NAT（Nucleobase/Ascorbate Transporter）蛋白介導(dǎo)。他們是通過怎樣的機(jī)制完成跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的呢,？這一問題一直以來都困擾著廣大生物學(xué)家,。
來源于Nature截圖
2011年3月20日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授,、生命學(xué)院兼職教授顏寧和生命學(xué)院王佳偉副研究員合作領(lǐng)導(dǎo)的科研小組,，在NATURE發(fā)表了名為《Structure and mechanism of the uracil transporter UraA（尿嘧啶轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白UraA的結(jié)構(gòu)和機(jī)制）》的科研論文，在世界上首次報(bào)道了NAT家族蛋白UraA的晶體結(jié)構(gòu),。
核苷堿基-維生素C轉(zhuǎn)運(yùn)（NAT）蛋白家族,，又稱為核苷堿基-陽離子同向轉(zhuǎn)運(yùn)載體2（NCS2）蛋白家族，在各種生物核苷堿基攝取的生理活動中發(fā)揮著重要作用,。但是很長時(shí)間以來,，這一大類蛋白的三維結(jié)構(gòu)信息以及其發(fā)揮生理活性的機(jī)制一直不得而知,。顏寧教授率領(lǐng)的科研小組自建立以來即致力于對膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu),，特別是營養(yǎng)物質(zhì)：質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)構(gòu)與分子機(jī)理的研究，他們在2007年開始了對NAT家族蛋白的研究,，首先選取了大腸桿菌尿嘧啶-質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（Uracil:proton Symporter）UraA這一該家族代表性成員作為研究對象,，利用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)生物學(xué)的方法，終于在2010年4月首次獲得了UraA與底物尿嘧啶高達(dá)2.8埃的高分辨率三維精細(xì)結(jié)構(gòu),。通過對三維晶體結(jié)構(gòu)的分析,，他們驚喜地發(fā)現(xiàn)：在擁有由14個(gè)跨膜片段形成的兩個(gè)反向重復(fù)序列的UraA蛋白中，存在著一種全新的蛋白折疊形式,！在第3號和第10號跨膜片段間存在著一對反向平行的beta-折疊片,，它們在蛋白結(jié)構(gòu)的維持和蛋白底物的識別中發(fā)揮了重要作用,。這一發(fā)現(xiàn)基本顛覆了一直以來對于膜整合蛋白結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。過去25年的膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究似乎表明,，膜整合蛋白的跨膜區(qū)或者只有alpha螺旋,，或者只有beta折疊,。唯一的例外是S2P蛋白,，其在膜邊緣處還有三個(gè)beta折疊，由于是出于蛋白邊緣,，還一度被專家質(zhì)疑是否是由于體外結(jié)晶造成的結(jié)構(gòu)變相,。而UraA的結(jié)構(gòu)毫無疑義地證明這alpha螺旋和beta折疊兩種蛋白二級結(jié)構(gòu)可以在膜蛋白的跨膜區(qū)中同時(shí)存在，這已發(fā)現(xiàn)為研究膜蛋白的折疊和進(jìn)化提供了重要線索,。
進(jìn)一步結(jié)構(gòu)分析表明UraA在空間排布上呈現(xiàn)兩個(gè)明顯的結(jié)構(gòu)域，即核心結(jié)構(gòu)域和門控結(jié)構(gòu)域,。在已有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，他們通過大量的體內(nèi)體外生化實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了該蛋白特殊結(jié)構(gòu)的生理意義：蛋白底物尿嘧啶在跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的過程中首先被準(zhǔn)確地定位在兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間，進(jìn)而通過核心結(jié)構(gòu)域和門控結(jié)構(gòu)域之間的構(gòu)像變化完成整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過程,。他們還發(fā)現(xiàn)了在底物識別共轉(zhuǎn)運(yùn)中起關(guān)鍵作用的數(shù)個(gè)氨基酸,?？蒲行〗M根據(jù)序列比較，進(jìn)一步提出了NAT家族利用鈉離子或質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)底物的分子機(jī)理,。
值得一提的是,，這是清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心自2009年4月以來作為通訊作者發(fā)表的第10篇Nature,、Science,、Cell論文,。(生物谷Bioon.com)
生物谷推薦英文摘要：
Nature (2011) doi:10.1038/nature09885
Structure and mechanism of the uracil transporter UraA
Feiran Lu, Shuo Li, Yang Jiang,Jing Jiang,He Fan, Guifeng Lu, Dong Deng,Shangyu Dang,Xu Zhang,Jiawei Wang & Nieng Yan
The nucleobase/ascorbate transporter (NAT) proteins, also known as nucleobase/cation symporter 2 (NCS2) proteins, are responsible for the uptake of nucleobases in all kingdoms of life and for the transport of vitamin C in mammals1, 2. Despite functional characterization of the NAT family members in bacteria, fungi and mammals, detailed structural information remains unavailable. Here we report the crystal structure of a representative NAT protein, the Escherichia coli uracil/H+ symporter UraA, in complex with uracil at a resolution of 2.8??. UraA has a novel structural fold, with 14 transmembrane segments (TMs) divided into two inverted repeats. A pair of antiparallel β-strands is located between TM3 and TM10 and has an important role in structural organization and substrate recognition. The structure is spatially arranged into a core domain and a gate domain. Uracil, located at the interface between the two domains, is coordinated mainly by residues from the core domain. Structural analysis suggests that alternating access of the substrate may be achieved through conformational changes of the gate domain.
