细胞膜转运蛋白对Fe-S簇、血红素及谷胱甘肽金属复合物的底物选择性机制：结构基础与功能演化

本刊推荐：研究人员针对细胞内膜转运蛋白如何选择性识别和转运Fe-S簇、血红素及谷胱甘肽复合金属这一关键问题，开展了系统性的结构与序列分析研究。通过比对真核和原核生物ABC转运蛋白家族（如ABCB7和ABCB6）的保守特征，揭示了其底物识别机制与功能冗余性，为理解金属辅因子胞内运输、耐药性及毒性金属清除提供了分子基础，对相关代谢疾病和药物开发具有重要启示。

　　

在生命科学领域，铁硫簇（Fe-S clusters）和血红素（heme）作为重要的金属辅因子，广泛参与电子传递、氧化还原反应、基因调控及酶催化等关键生物学过程。然而，这些疏水性分子如何在细胞内部高效转运并精准定位，一直是困扰科学家的难题。近年来，研究发现谷胱甘肽（glutathione, GS）能够与[2Fe-2S]簇等金属辅因子形成可溶性复合物，成为细胞内运输的重要媒介，这一发现为理解金属辅因子跨膜运输机制提供了新的视角。

为了深入探索这一过程，研究人员对ATP结合盒（ABC）膜转运蛋白家族展开了系统研究。这类蛋白利用ATP水解产生的能量驱动底物跨膜运输，其中ABCB7和ABCB6等成员被证实参与Fe-S簇和血红素的运输。然而，这些转运蛋白如何区分不同底物、是否存在功能冗余，以及它们在进化过程中如何从原始的细菌重金属解毒系统演化而来，仍是未解之谜。

针对这些问题，J.A. Cowan在《Journal of Inorganic Biochemistry》上发表了一项综合性研究，通过结构生物学、序列比对和功能分析，系统阐述了ABC转运蛋白在Fe-S簇、血红素和谷胱甘肽复合金属运输中的底物选择机制与进化关系。

本研究主要采用了以下关键技术方法：一是基于冷冻电镜（cryo-EM）的结构解析技术，获得了多种ABC转运蛋白与底物复合物的高分辨率结构；二是使用ClustalOmega等工具进行多序列比对，分析真核和原核生物中ABC转运蛋白的保守性；三是结合生化实验（如MgATPase活性测定）验证底物结合与转运功能；四是利用遗传学分析（如基因敲除和功能互补实验）探讨蛋白功能的冗余性。

在“ Recruitment of metal cofactor transporters from proteobacteria”部分，研究通过序列比对和结构分析发现，真核生物中的ABCB7、ABCB6等转运蛋白均起源于 proteobacterial Atm1蛋白，其保留了两个谷胱甘肽结合位点（site 1和site 2），用于识别GS-Mⁿ⁺-SG形式的金属复合物。这一发现支持了内共生理论，即线粒体转运蛋白源自古代 proteobacteria的重金属解毒系统。

在“ Sequence alignments and functional roles for conserved residues”中，研究揭示所有真核ABC转运蛋白在底物结合域具有高度保守的残基，这些残基通过静电作用和疏水相互作用识别不同底物。值得注意的是，这些蛋白表现出底物偏好性而非绝对特异性，这解释了为何敲除某些“必需”转运蛋白基因后细胞仍能存活——存在功能冗余机制。

“ All show similar glutathione-associated binding sequences”部分通过结构比较发现，虽然不同转运蛋白识别不同底物，但其谷胱甘肽结合位点的空间构型高度相似。特别是2Fe-2S₄簇因携带6-负电荷，能同时结合site 1和site 2，而单金属-GS复合物（带2-电荷）主要结合site 1。这种电荷差异和空间匹配性是底物选择的关键因素。

关于“ ABCB6 supports diverse functionality and cellular redundancy”，研究表明ABCB6不仅能转运血红素和卟啉，还参与Cd²⁺等毒性金属的解毒，甚至能部分替代酵母Atm1的Fe-S簇转运功能。其底物结合口袋呈“裂缝状”，适合结合平面结构的卟啉环和GS金属复合物，且MgATPase活性受GSH调节，说明其功能多样性与细胞定位（线粒体外膜、高尔基体等）密切相关。

在“ Substrate recognition and release”机制方面，研究提出带正电残基（如精氨酸）通过长程静电作用识别带负电的GS复合物，而芳香族残基和甲硫氨酸则分别用于稳定卟啉和重金属。同时，保守的酸性残基（如E446、D374）通过电荷排斥促进底物释放，这一机制在多种ABC转运蛋白中通用。

最后，“ Redundancy based on structural complementarity and non-lethal mutants”部分强调，由于ABC转运蛋白在结构和机制上的相似性，它们能够在一定程度上相互替代。例如，ABCB6虽主要转运血红素，但其与ABCB7的序列相似性使其也能参与Fe-S簇运输，这解释了为何ABCB6敲除小鼠无明显表型，以及为何某些“必需”蛋白的突变并不致死。

综上所述，这项研究系统揭示了ABC膜转运蛋白通过保守的谷胱甘肽结合域实现多种金属辅因子运输的分子机制，阐明了其从细菌重金属解毒系统向真核细胞金属辅因子运输系统的进化历程。该发现不仅深化了对细胞金属离子稳态调控的理解，还为相关疾病（如铁粒幼细胞贫血）提供了分子层面的解释，同时为针对ABC转运蛋白的药物设计（如克服耐药性）提供了重要理论基础。