维生素C转运蛋白的高分辨率晶体结构及工作机制

　　

2015年2月16日，清华大学生命学院王佳伟研究组在Nature Structural & Molecular Biology上在线发表了题为“Crystal structure of a phosphorylation-coupled vitamin C transporter”的研究论文。该论文首次展示了细菌的磷酸烯醇丙酮酸依赖磷酸转移酶系统(phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system)中维生素C转运蛋白UlaA的两个不同构象的高分辨晶体结构，再结合生化实验，初步揭示了UlaA蛋白对维生素C转运过程的分子机理。
 
维生素C，又称抗坏血酸，是许多生命体不可或缺的一种营养素，是一种有效的抗氧化剂并参与多种生化过程，哺乳动物缺少维生素C会导致虚弱失调以及败血症等一系列的生理问题。对于许多哺乳动物，特别是高级灵长类，维生素C的唯一获取途径就是从食物中吸收，获取维生素C的主要依靠SVCT1蛋白。肠道生活的致病菌同样可以使用外界的维生素C，在缺氧环境下维生素C被细菌当做碳源，因此细菌与宿主会在肠道中竞争使用维生素C。

与高等动物不同，细菌利用维生素C主要依靠磷酸烯醇丙酮酸盐依赖磷酸转移酶系统(PTS)，负责代谢维生素C的PTS系统包括一个转运蛋白UlaA和两个类酶蛋白UlaB、UlaC，UlaA主要负责维生素C的转运，而UlaB和UlaC被认为与维生素C磷酸化代谢有关。拥有这套UlaABC的细菌几乎全部是致病菌，所以解析UlaABC对于疾病相关研究具有重大意义。此前关于UlaABC已有许多生化方面的研究，但UlaA所主导的转运过程一直未曾有原子层面的报道。
 
王佳伟研究组选择大肠杆菌中的UlaA蛋白作为研究对象，通过X-射线晶体衍射的方法解析出了两组不同构象的UlaA高分辨率晶体结构，衍射分别是1.65 Å和2.35 Å。

在这两个已获得的结构中，UlaA都结合有底物维生素C，并以二聚体形式行使功能。解析的UlaA结构呈现出一个全新的复杂折叠方式，每个UlaA分子包含有11个跨膜结构、4个凹角类发卡结构和3个水平方向两性螺旋，分子内都包含两个反向的对称单位，一根赝对称轴平行于膜表面。每个UlaA分子可以被分成两个部分，分别被称为V motif区域和core区域，二聚化的区域主要位于蛋白的V motif区域，而底物主要由core区域的氨基酸识别与结合。比较已获得的两个结构，两个不同的二聚体一共呈现出两种不同的构象，一种构象是结合底物后保持向外开放，另一种则是结合底物后两端封闭，这两种构象代表了UlaA转运底物的两个过程，根据这两个结构我们可以推断当UlaA结合底物后先是保持向外开口，进而core区域做刚体翻转封闭两端，最后经过一系列后续过程释放底物。

这个结构比对初步揭示出UlaA蛋白在维生素C转运循环中的构象变化，为理解细菌中维生素C的转运与代谢过程提供了重要的分子基础。
 
清华大学生命学院在读博士生罗平和于新哲是本文的共同第一作者，其他参与本文工作的还有清华大学生命学院在读博士生王伟光和清华大学生命学院范仕龙博士，清华大学生命学院王佳伟与美国洛克菲勒大学李晓淳博士是本文的共同通讯作者。该研究得到了科技部重大研究计划的资助。

 

原文摘要：

Crystal structure of a phosphorylation-coupled vitamin C transporter

Bacteria use ​vitamin C (​L-ascorbic acid) as a carbon source under anaerobic conditions. The phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system (PTS), comprising a transporter (​UlaA), a IIB-like enzyme (​UlaB) and a IIA-like enzyme (​UlaC), is required for the anaerobic uptake of ​vitamin C and its phosphorylation to ​L-ascorbate 6-phosphate. Here, we present the crystal structures of vitamin C–bound ​UlaA from Escherichia coli in two conformations at 1.65-Å and 2.35-Å resolution. ​UlaA forms a homodimer and exhibits a new fold. Each ​UlaA protomer consists of 11 transmembrane segments arranged into a ‘V-motif’ domain and a ‘core’ domain. The V motifs form the interface between the two protomers, and the core-domain residues coordinate ​vitamin C. The alternating access of the substrate from the opposite side of the cell membrane may be achieved through rigid-body rotation of the core relative to the V motif.