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机械力敏感通道的机械耦合机制进展

中国科学院生物物理研究所柳振峰课题组2015年8月10日在著名期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)上在线发表了题为“Mechanical coupling of the multiple structural elements of the large-conductance mechanosensitive channel during expansion”的论文,报告了他们关于机械力敏感通道MscL机械耦合机制的研究成果。

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柳振峰等人首次解析了来自同一物种的分别处于关闭态和扩展态两种截然不同构象状态的产甲烷古菌Methanosarcina acetivorans MscL(MaMscL)的晶体结构,并通过分析这两种构想的差异挖掘出了MscL构想变化的规律。


在进行蛋白晶体结晶研究过程中,研究人员广泛筛选不同类型多聚态水溶性蛋白与不同物种来源MscL同源蛋白之间的组合,并最终确定了一种五聚态核黄素合成酶MjRS在和MaMscL融合后能够促进其结晶,并且融合蛋白在不同去污剂条件下能够被捕捉到两种不同的构象状态。该方法不仅解决了MscL难以形成有序三维晶体的问题,还将为研究其他具有重要功能的多聚体真核通道膜蛋白的不同构象态结构提供具有启示性的解决方案。


随后研究人员通过几何学分析方法研究发现MscL在扩展过程中其跨膜螺旋发生大幅度的倾斜,其运动模式类似于“光圈开放”的过程,跨膜螺旋与N-末端螺旋之间的动态变化则类似于雨伞打开的过程。该通道扩展时,各个部件会互相联动,使不同亚基同步发生构想变化。


机械力感应现象在动植物和微生物中普遍存在。机械力信号的感应过程是由细胞膜上的机械力敏感通道来介导的。高通量机械力敏感通道 (Mechanosensitive Channel of Large Conductance, MscL)是微生物感应细胞膜张力的一类通道膜蛋白,帮助细胞稳定其内外的渗透压平衡,对细菌等微生物适应多变的环境起重要的作用。


近年来的研究发现MscL可以为抗生素药物提供进入细菌细胞的通道,被认为是抗生素药物的作用靶点,并可被改造为光控纳米阀门用于释放脂质体包裹的药物分子,具有潜在的应用价值。在基础研究方面,MscL被认为是研究机械力信号跨膜传递的理想模式分子,其在感应膜张力过程中的构象变化原理还有待于通过结构生物学方法来阐明。


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