清华大学杨茂君研究组Cell Res发现金属离子摄取机制

这项研究首次报道了镍/钴转运复合体中底物识别蛋白NikM的高分辨晶体结构，并通过生物化学、细胞生物学、生物物理学，量子化学及计算生物学等手段系统地阐明了此类蛋白质复合物家族在底物识别及转运等过程的分子机制，为理解微生物在维生素B12的合成过程中钴离子的摄取提供了新的视点。

2013年12月24日，清华大学生命学院杨茂君研究组在《自然》系列杂志《Cell Research》上在线发表了学术论文“Planar substrate binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/cobalt transporters”（底物平面结合位点决定了镍/钴能量耦合转运蛋白的底物特异性）。文章首次报道了镍/钴转运复合体中底物识别蛋白NikM的高分辨晶体结构，并通过生物化学、细胞生物学、生物物理学，量子化学及计算生物学等手段系统地阐明了此类蛋白质复合物家族在底物识别及转运等过程的分子机制，为理解微生物在维生素B12的合成过程中钴离子的摄取提供了新的视点。

清华大学生命科学学院杨茂君为本论文的通讯作者，清华-北大-NIBS三校联合二年级研究生于游为第一作者，清华大学生命科学学院博士研究生周明泽，张丽参与了该研究工作。德国柏林洪堡大学的Thomas Eitinger教授以及清华大学化学系李隽教授及上海同步辐射光源姜政教授实验室成员也参与了该项研究。

从环境中吸收痕量存在的镍/钴离子对微生物的存活至关重要，已知ECF（energy coupling factor）转运体是分布最广的镍/钴离子的主动运输转运体。ECF可从底物类别上可以分为两大类，一类是维生素类ECF转运体，其底物识别蛋白可以特异性的结合相对应的维生素。另一类是离子类ECF转运体，其底物识别蛋白可以特异性识别相对应的金属离子。现已知有多个维生素类ECF底物识别蛋白的结构得以解析，相关识别和转运机制也研究的比较清楚。但是，目前为止，还没有离子类ECF底物识别蛋白的结构信息，同时，其特异性识别镍/钴离子的分子机制也亟待阐明。

杨茂君研究组通过晶体结构生物学手段，解析了第一个离子类ECF转运体底物结合蛋白NikM的1.83埃的分子结构，从分子水平上阐释了NikM特异性识别镍/钴离子的机理。分子结构提示NikM的N端九个氨基酸形成的loop区对其特异性的识别镍/钴离子具有至关重要的作用，此loop区可与周围氨基酸形成了有方向性的氢键网络，以稳定结合镍/钴离子时的分子构象，同时Met1，His2和His67直接参与了镍/钴的结合，形成了平面四配位底物结合位点。

体外XANES（K-edge X-ray absorption near-edge structure）实验揭示了即使在溶液状态下，NikM也是通过平面四配位的底物结合位点识别镍/钴离子。放射性同位素Ni63标记的体内转运实验阐明，N端loop区的氢键网络对镍/钴的转运活性具有必不可少的作用。基于高分辨率结构的量子化学计算发现NikM对存在3d轨道杂化的过渡金属离子具有更强的结合能力，且其中以镍和钴最强，进而提出了NikM的底物如何被特异性识别的机制。

杨茂君研究组从2010年起，针对镍/钴等过渡金属离子的转运做了系统的结构和生化研究。并于2013年10月在《Protein & Cell》上发表了学术论文“Structural basis for a homodimeric ATPase subunit of an ECPlanar substrate binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/cobalt transportersF transporter.”（一类能量耦合转运蛋白ATPase同源二聚体的结构研究）。首次发现离子类ECF的ATP结合蛋白存在同源二聚并可能受到维生素B12合成过程中间产物调节的现象，为镍/钴离子的转运机制的研究提供了重要线索。

上海同步辐射光源(SSRF)BL17U1，BL14W1和北京同步辐射光源（BSRF）4W1B等线站为数据收集提供了及时有效的支持。该系列研究获得科技部重大研究计划、国家自然科学基金委重点项目及清华-北大生命联合中心的支持。
 
原文摘要：

Planar substrate binding site dictates the specificity of ECF-type nickel/cobalt transporters

The energy-coupling factor (ECF) transporters are multi-subunit protein complexes that mediate uptake of transition-metal ions and vitamins in about 50% of the prokaryotes, including bacteria and archaea. Biological and structural studies have been focused on ECF transporters for vitamins, but the molecular mechanism by which ECF systems transport metal ions from the environment remains unknown. Here we report the first crystal structure of a NikM, TtNikM2, the substrate-binding component (S component) of an ECF-type nickel transporter from Thermoanaerobacter tengcongensis. In contrast to the structures of the vitamin-specific S proteins with six transmembrane segments (TSs), TtNikM2 possesses an additional TS at its N-terminal region, resulting in an extracellular N-terminus. The highly conserved N-terminal loop inserts into the center of TtNikM2 and occludes a region corresponding to the substrate-binding sites of the vitamin-specific S components. Nickel binds to NikM via its coordination to four nitrogen atoms, which are derived from Met1, His2 and His67 residues. These nitrogen atoms form an approximately square-planar geometry, similar to that of the metal ion-binding sites in the amino-terminal Cu2+- and Ni2+-binding (ATCUN) motif. Replacements of residues in NikM contributing to nickel coordination compromised the Ni-transport activity. Furthermore, systematic quantum chemical investigation indicated that this geometry enables NikM to also selectively recognize Co2+. Indeed, the structure of TtNikM2 containing a bound Co2+ ion has almost no conformational change compared to the structure that contains a nickel ion. Together, our data reveal an evolutionarily conserved mechanism underlying the metal selectivity of EcfS proteins, and provide insights into the ion-translocation process mediated by ECF transporters.