生物学家描述了血红素运输和组装的结构和功能

血红蛋白将氧气运送到需要氧气的组织，而细胞色素携带电子在细胞内进行能量转换。但是，了解血红素如何穿过细胞膜——就像它需要做的那样，以插入血红蛋白和细胞色素——一直是一个挑战。血红素的运输是短暂的，这意味着血红素通过膜的速度很快，不会留下任何痕迹。而血红素结合膜蛋白难以大量纯化。

在12月20日发表在《自然化学生物学》杂志上的一项研究中，华盛顿大学圣路易斯分校的科学家首次描述了一种名为CcsBA的双功能蛋白质的结构，这种蛋白质可以运输血红素并将其附着在细胞色素上。这项由艺术与科学生物学教授Robert Kranz领导的研究，捕获了CcsBA(一种细菌和叶绿体蛋白质)的两种构象状态，使科学家能够描述酶的机制。

“这篇新论文阐述了CcsBA机器如何工作的结构基础，揭示了在血红素运输周期中发生的主要动态开关，”Kranz说。

这项研究是通过协作与詹姆斯?菲茨帕特里克的华盛顿大学细胞成像中心主任(WUCCI)医学院神经科学教授,细胞生物学和生理学,生物医学工程,科学家和结构生物学家和迈克尔·劳在他的团队。他们利用了一种被称为单粒子平均的尖端结构生物学技术，这种技术利用最先进的冷冻电子显微镜(cryoo - em)来成像蛋白质在其天然玻璃化(冻结)状态下的不同视图。排序后所有的不同的观点,他们能够构建低温电子显微镜密度地图——这是蛋白质的三维表征由一系列的二维预测的各种视图——克兰兹的团队可以建立CcsBA结构的原子模型。

菲茨帕特里克说:“低温电子显微镜是一项革命性的技术，它可以让我们在近原子水平上可视化给定蛋白质的结构安排，包括从一组状态中梳理出不同构象的能力。”“正是后者的能力，使我们能够捕捉血红素运输机制的关键。”

cyro-EM数据确定了两个状态，其中一个或两个血红素分子结合。“我们能够构建的结构模型表明，CcsBA与亚铁血红素以两种不同的构象被困住，我们称之为封闭和开放状态，”Kranz说。“这项新的工作解决了CcsBA机器工作的结构基础，揭示了在传输周期中发生的主要动态切换。

他说:“一个最酷的发现是在血红素运输过程中打开了一个大房间。”这个室是用来合成细胞色素c的。

共同第一作者迪安娜·l·门德斯(Deanna L. Mendez)是一名生物学博士后科学家，此前与克兰兹在eLIFE共同撰写了一项关于纯化细菌和人类血红素合酶的重建的研究。CcsBA不同于人类形式的血红素转运体/细胞色素c合酶。通过识别其结构所获得的见解，使研究人员在开发选择性地针对细菌的抗菌剂方面领先一步。

“在CcsBA中，我们观察到在跨膜α螺旋之间有一条清晰的路径，可以允许血红素从跨膜-血红素位点传播到外部血红素位点，”Mendez说。“由于血红素在出口过程中浓度梯度下降，我们不认为这一过程需要能源。”

联合第一作者伊桑·洛德(Ethan Lowder)是华盛顿大学的一名大四学生，他在这个项目上工作了两年。

“解决蛋白质的新结构是非常困难的，”Lowder说。“在这种情况下，我们没有类似的结构可以作为模板或起点。这绝对是一个挑战，但我们一直在努力，直到完成最终的结构。”

第二作者达斯汀·提尔曼(Dustin Tillman)在完成这部作品时是华盛顿大学(Washington University)的一名本科生，他对CcsBA的净化起到了重要作用。他与WUCCI团队合作，为单粒子低温电镜研究优化样品制备。“达斯汀还对他纯化的制剂进行了重构分析，以证明它们是活跃的合酶，”克兰兹说。

克兰兹说:“我对我们有才华的本科生研究人员在nih支持的这项研究中的贡献和参与表示感谢。”“这项研究是我们实验室30多年来研究血红素运输和细胞色素组装的成果，所以知道这两者的结构基础是令人满意的。这将导致更多关于舱室打开、运输和舱内合酶反应机制的实验。”

的视频:https://youtu.be/lX1oN9XNxXQ

Journal Reference:

Deanna L. Mendez, Ethan p. Lowder, Dustin E. Tillman, Molly C. Sutherland, Andrea L. Collier, Michael J. Rau, James A. J. Fitzpatrick, Robert G. Kranz. Cryo-EM of CcsBA reveals the basis for cytochrome c biogenesis and heme transport. Nature Chemical Biology, 2021; DOI: 10.1038/s41589-021-00935-y