《Nature Communications》：Shared structural mechanisms of alternating access between the secondary peptide transporter SbmA and ABC transporters
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本研究聚焦二级肽转运蛋白SbmA与ABC转运蛋白的结构与机制关联。研究人员通过序列分析、冷冻电镜结构解析、EPR光谱和分子动力学模拟，揭示了SbmA通过pH变化驱动构象转换，利用跨膜质子梯度实现底物内化，为理解初级与次级转运蛋白的共同进化与工作机制提供了关键证据。
在生命活动中，细胞需要不断与外界进行物质交换，而膜转运蛋白正是控制物质进出细胞的“守门人”。其中，ATP结合盒转运蛋白（ABC transporters）作为“耗能大户”，依赖ATP水解提供能量，推动底物转运；而二级主动转运蛋白则借助离子梯度（如质子梯度）的势能“顺水推舟”。尽管两者能量来源迥异，但结构上却可能存在隐秘的亲缘关系。
大肠杆菌（Escherichia coli）中的SbmA蛋白正是这样一个引人瞩目的“跨界者”。它属于SbmA样肽转运蛋白家族，功能上是一名二级主动转运蛋白，专门负责导入抗菌肽，但其结构却与ABC转运蛋白的跨膜结构域惊人相似。这不禁让科学家猜想：SbmA是否在转运机制上也与ABC转运蛋白“师出同门”？然而，此前研究仅解析出SbmA的单一构象状态（向外开放状态），其完整的构象变化循环与能量偶联机制仍是一片迷雾。
为此，研究人员在《Nature Communications》上发表了这项研究，旨在揭示SbmA是否与ABC转运蛋白共享交替进入的结构机制，并阐明质子梯度如何驱动其构象转换与底物转运。
为了回答上述问题，研究团队整合了多种关键技术：序列进化分析追踪蛋白起源；单颗粒冷冻电镜解析蛋白高分辨率三维结构；电子顺磁共振（EPR）光谱探测膜蛋白在脂质环境中的构象动态；分子动力学（MD）模拟在原子层面揭示质子化状态变化如何驱动构象转换。
研究结果
1. SbmA可能起源于ABC转运蛋白YddA的早期祖先
通过序列分析发现，SbmA与ABC转运蛋白YddA的跨膜结构域具有同源性，提示SbmA可能从ABC转运蛋白的祖先演化而来，在进化过程中“舍弃”了核苷酸结合结构域，转而利用质子梯度驱动转运。
2. SbmA呈现与ABC转运蛋白相似的闭合与向内开放状态
研究成功解析了SbmA在底物结合下的闭合状态和向内开放状态的高分辨率冷冻电镜结构。这些构象在跨膜螺旋的排列、底物结合口袋的几何形状以及关键门控残基的构象上，均与ABC转运蛋白的对应状态高度相似。这直接证明SbmA与ABC转运蛋白共享一套核心的交替进入结构机制。
3. pH变化驱动SbmA的构象转换
与ABC转运蛋白利用ATP结合与水解驱动循环不同，EPR光谱和MD模拟表明，SbmA的构象变化受pH调控。降低pH（增加质子浓度）能稳定其向外开放状态，而升高pH则促进其向闭合和向内开放状态转换。这种pH依赖性变化与跨膜质子梯度的方向一致，为“质子梯度如何驱动二级主动转运”提供了结构动力学解释。
结论与讨论
本研究表明，尽管能量来源不同，二级主动转运蛋白SbmA与ABC转运蛋白在实现交替进入的构象变化上，采用了高度相似的结构机制。SbmA很可能从ABC转运蛋白祖先演化而来，在失去核苷酸结合结构域后，将其构象转换的“驱动引擎”从ATP替换为跨膜质子梯度。具体而言，质子化状态的变化通过影响跨膜螺旋的静电相互作用和取向，进而调控底物通路的开放与关闭。
这项研究的意义重大：首先，它在结构层面直接桥接了初级主动转运与次级主动转运两大类别，为理解膜转运蛋白的进化与功能分化提供了关键证据。其次，它详细阐释了质子动力势如何转化为机械力以驱动构象变化，深化了对次级主动转运能量偶联机制的认识。最后，SbmA作为抗菌肽转运蛋白，其工作机制的阐明也为针对细菌耐药性开发新型抗菌策略（如设计能“搭便车”进入细菌的抗菌肽药物）提供了潜在的分子基础。
