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中国科学家最近的一项研究揭示了叶绿体内驱动能量交换的复杂分子机制，揭示了植物生命进化中的一个关键事件。由中国科学院分子植物科学卓越中心的樊敏瑞领导的这项研究阐明了ATP/ADP易位子的结构和功能，ATP/ADP易位子是核苷酸转运蛋白（NTT）家族的关键成员，它促进了叶绿体膜上的能量转移。
中国科学家最近的一项研究揭示了叶绿体内部能量交换的复杂分子机制，为植物生命进化的关键事件提供了新的见解。该研究由中国科学院分子植物科学卓越创新中心的范明睿领导，阐明了ATP/ADP转运蛋白的结构和功能，这种蛋白质是核苷酸转运蛋白（NTT）家族的关键成员，能够促进能量在叶绿体膜之间的转移。
他们的研究成果于3月13日在线发表在《自然》杂志上，文章题为“质体/寄生虫ATP/ADP转运蛋白的结构与机制”。
这些发现不仅加深了我们对叶绿体共生起源的理解——即古细菌如何整合到植物细胞中成为叶绿体，还为提高作物产量和开发对抗细胞内病原体的新药物提供了潜在途径。
叶绿体在植物能量生产中至关重要，其作用类似于动物细胞中线粒体（细胞的能量工厂）。然而，线粒体利用ATP/ADP转运蛋白AAC将ATP（细胞的“能量货币”）输出到细胞质中，并将ADP输入用于ATP合成。相比之下，叶绿体则利用NTT蛋白从细胞质中输入ATP，为光合作用、淀粉合成和脂肪酸合成提供能量，同时输出ADP和无机磷酸盐（Pi）。值得注意的是，叶绿体NTT蛋白对ATP/ADP具有高度特异性，与一些硅藻中能够运输更广泛核苷酸的类似蛋白不同。
长期以来，叶绿体中NTT蛋白的起源一直是个谜。内共生理论认为叶绿体是从蓝细菌进化而来的。然而，自由生活的蓝细菌缺乏NTT蛋白。一种假设认为，一个原始的真核细胞吞噬了蓝细菌和一种类似衣原体的细菌。蓝细菌可能通过水平基因转移（生物之间的基因交换）从衣原体获得NTT蛋白，因为衣原体利用类似的蛋白从宿主细胞中窃取ATP。这种蛋白在叶绿体进化过程中得以保留。衣原体的“能量寄生”现象以及这种NTT蛋白的独特功能多年来一直吸引着科学家们的关注。
为了验证这一假设，研究小组确定了来自拟南芥叶绿体和肺炎衣原体的NTT蛋白的三维结构，其分辨率接近原子水平（2.72-2.90 ?）。他们发现NTT蛋白由12个跨膜螺旋组成，呈现出主要易化超家族（MFS）转运蛋白的典型折叠。尽管存在显著的物种特异性差异，但两种蛋白的总体结构相似，这支持了叶绿体NTT蛋白起源于类似衣原体祖先的假设。
该研究还确定了NTT蛋白中ATP（或ADP和Pi）的结合位点。ATP的结合涉及其三个部分（腺嘌呤、核糖和磷酸）与NTT蛋白之间的广泛相互作用。ATP的腺嘌呤部分被芳香族和疏水氨基酸残基夹在中间，其带负电的磷酸基团与周围带正电的氨基酸残基相互作用。
ADP的结合位点与ATP相似，但存在一些构象差异：ATP的磷酸基团呈伸展构象，而ADP的磷酸基团则折叠，导致周围相互作用的氨基酸残基略有不同。
有趣的是，Pi的结合位置与ATP的γ-磷酸基团位置完全对应。为了验证这些结构发现，研究人员进行了基于化学发光的ATP/ADP交换实验，以及使用放射性同位素的ATP-32P摄取实验。
研究人员还分析了NTT蛋白的热稳定性，发现Pi显著增强了ADP的结合，表明两者之间存在协同效应。这一发现与NTT蛋白中ADP和Pi的共转运特性一致。
此外，研究发现，当NTT蛋白中一个进化上保守的天冬酰胺残基（拟南芥AtNTT1中的N282）突变为丙氨酸时，对其他核苷酸（如GTP、CTP和UTP）的转运活性显著增加。这表明该残基可能在NTT蛋白对ATP的特异性识别中起着关键作用。
通过比较NTT蛋白在不同构象下的结构，并进行突变和功能实验，研究揭示了NTT蛋白的N端和C端结构域相对刚性。这些结构域相对运动，并通过改变它们之间的相互作用，促进ATP或ADP加Pi的结合、跨膜运输和释放。
这种转运机制与MFS的“摇摆开关”交替途径模型一致。在这个模型中，N端和C端结构域之间的构象变化使蛋白能够交替打开和关闭其运输通道，确保底物的高效结合和释放，并促进其跨膜转运。这种机制对于NTT蛋白在ATP/ADP交换和Pi共转运中的作用至关重要。
该研究不仅揭示了叶绿体和衣原体ATP/ADP转运蛋白NTT的底物识别和跨膜转运的分子机制，还加深了我们对叶绿体共生起源中跨膜能量转移机制的理解。它还为通过工程化NTT蛋白提高作物产量以及设计NTT蛋白抑制剂治疗由专性细胞内病原体引起的疾病提供了宝贵的见解。
该研究由中国科学院分子植物科学卓越创新中心、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院上海分院和上海市科学技术创新行动计划资助。
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