基于电子顺磁共振方法的跨膜转运蛋白三维结构解析研究获进展

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心-中国科学技术大学双聘教授田长麟、中国科学技术大学教授张志勇及美国国家强磁场中心教授Likai Song密切合作，针对细菌氰根离子（CN-）解毒及跨膜转运重要蛋白硫氰酸酶YgaP，通过系统构建位点特异性电子自旋标记（简称SDSL），应用电子顺磁共振（简称EPR），特别是脉冲双电子偶极耦合(简称DEER)方法，首次成功解析了YgaP的全长三维结构，并通过EPR动态特性、顺磁增强分子易趋性分析、距离测量等分析方法研究了YgaP蛋白跨膜转运酶催化产物硫氰根离子(SCN-)的分子机制。该研究成果以Structure of an E. coli integral membrane sulfurtransferase and its structural transition upon SCN−binding defined by EPR-based hybrid method 为题在线发表在《科学报告》杂志上(Sci. Rep. 6, 20025; doi: 10.1038/srep20025 (2016))。

　　膜蛋白三维结构分析一直以来都是结构生物学、细胞等生命活动重要分子机制研究的前沿科学问题。目前其主要研究方法有X射线晶体衍射、核磁共振和冷冻电镜。这些方法有各自独特的优势，但也有其应用的局限性。近年来随着电子顺磁共振方法，特别是脉冲电子自旋共振方法的飞速发展，该方法越来越广泛应用于研究膜蛋白，特别是真核膜蛋白的在不同功能状态下的构象变化、动态特性及分子机制分析。EPR方法在膜蛋白研究中拥有独特的优势，包括比核磁共振高近三个数量级的灵敏度；对膜蛋白分子量大小无限制；获得蛋白动力学信息；能检测8埃到80埃的长程距离信息；能开展磷脂等类生理环境中的膜蛋白研究等。

　　该工作中，研究人员首先使用连续波（Continuous wave, CW）EPR方法（包括谱线分析、功率饱和等方法）获得YgaP蛋白跨膜结构域的动力学和易趋性信息，从而得到YgaP跨膜结构域的二级结构特征；通过基于CW-EPR和脉冲DEER距离测量方法得到二体全长YgaP蛋白中单体内或单体间的距离约束信息；结合刚体(rigid-body)计算方法最终得到YgaP蛋白的三维结构。研究人员还应用EPR方法分析了YgaP蛋白与酶催化产物SCN-结合前后的动态特性和构象变化，结果表明YgaP蛋白第二跨膜螺旋（TMH2）在结合底物SCN-后运动性下降，TMH2间的距离变小。该研究为国际上首次报道综合应用连续波、脉冲EPR及刚体计算方法的膜蛋白de novo结构解析和动态构象分析，并将为其他真核膜蛋白的结构研究提供一条新的途径。

　　该项研究获得合肥稳态强磁场实验装置电子自旋共振设备、美国国家强磁场实验室电子自旋共振设施部的设备支持，在中国科技部国家重点科学研究基金、国家自然科学基金、中科院合肥大科学中心等项目支持下完成。