清华大学生命学院施一公课题组于PNAS发表研究论文

2014年8月19日，清华大学生命学院施一公研究组于PNAS发表题为“Molecular mechanism of pH-dependent substrate transport by an arginine-agmatine antiporter”（”精氨酸-胍基丁胺反向膜转运蛋白AdiC的底物转运pH依赖的分子机制”）的学术论文。

“病从口入”这句古谚很好的描述了在人类与疾病的抗争史上的一类常见病——肠道病原微生物引起的肠道疾病。相较于已经被控制的天花等病原，由此类病原体引起的病疫在21世纪的今天仍然给人类的生产和生活带来着不小的损失。因此对它们的研究一直广受关注。研究者们意识到，出血性大肠杆菌、沙门氏杆菌等肠道病原微生物，通过口腔进入消化道，在经过胃内极酸性环境时，需要启动数个抗酸系统来维持其细胞内酸碱度，最终抵达肠道进行繁衍和致病。也就是说，抗酸系统是保证此类病原菌成功侵染人体的关键，如果抗酸系统不能有效工作，那么细菌将会被胃内的酸性环境杀死。因此，对肠道病原微生物的抗酸系统的研究，将有助于人们了解肠道微生物的侵染过程，也为潜在的治疗方案和药物设计提供研究基础。

以出血性大肠杆菌O157:H7为例，目前已知至少存在四个独立的抗酸系统，除了抗酸系统1之外，其他三个抗酸系统均是由胞质内的脱羧酶和细胞膜上的转运蛋白组成，通过底物的化学反应和跨膜交换运输，达到消耗细胞内部氢离子浓度，降低酸度的效果。

在这项工作中，施一公教授课题组通过大量系统的生化分析首次发现并证实了决定抗酸系统3的膜转运蛋白AdiC的pH感受器，即其启动 “开关”——蛋白上的第74位酪氨酸。研究者们通过分析AdiC蛋白的结构信息，结合体外的底物转运实验，在近一百个可能的位点上鉴定出了决定转运工作开关的这一核心氨基酸。正常的AdiC在pH降到6.5以下才开始工作，在大于pH6.5的环境下关闭转运活性；在将此氨基酸“移除”的突变体上，AdiC蛋白的转运不再受到环境酸碱度的影响，在一定酸碱度范围内处于始终有活性的状态。进一步，研究者揭示了第74位酪氨酸如何控制蛋白感受酸碱度变化并调节活性的分子机理，通过氨基酸残基替换的比较研究，证实了这一过程是通过正电荷-π键相互作用来实现的，这种非常规氢键的键合作用是首次在蛋白感受外界环境酸碱度的过程中被发现。此项工作由生命学院硕士研究生王盛，被CLS录取、在施一公实验室从事本科毕设的鄢仁鸿，医学院CLS二年级学生张曦，和清华化生基科班三年级本科生初祺，在施一公教授的指导下完成。

施一公教授的研究组近年来一直致力于病原微生物及癌细胞抗酸系统膜转运蛋白的研究，发表了一系列高影响力的科学论文。在09年至12年，分别报道了从属于抗酸系统3的膜转运蛋白AdiC和从属于抗酸系统2的膜转运蛋白GadC的处于三种不同状态的晶体结构【Gao et al, 2009, Science; Gao et al, 2010, Nature; Ma et al, 2012, Nature】，并通过生化手段揭示了抗酸过程中底物跨膜运输的分子机理，提出了一个由谷氨酰胺参与的全新抗酸系统模型【Lu et al, 2013, Cell Research; Ma et al, 2013, JBC】；在此研究的基础上他们还开展了针对癌细胞抗酸机制的研究【Huang et al, 2013, Cell Research】。

上图所示，在近一百个可能的氨基酸残基位点上，通过聚类分析所有蛋白突变体的转运活性及对pH变化的敏感度，得到第74位酪氨酸是AdiC蛋白上的pH感受开关。下图示意了这个酪氨酸残基在AdiC蛋白上的空间位置和周围环境。