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Structural basis and synergism of ATP and Na+ activation in bacterial K+ uptake system KtrAB, Nature Communications 15, 3850 (2024)
ATP和鈉離子協同活化枯草桿菌鉀離子攝取系統KtrAB之結構和功能探討
Wesley Tien Chiang, Yao-Kai Chang, Wei-Han Hui, Shu-Wei Chang, Chen-Yi Liao, Yi-Chuan Chang, Chun-Jung Chen, Wei-Chen Wang, Chien-Chen Lai, Chun-Hsiung Wang, Siou-Ying Luo, Ya-Ping Huang, Shan-Ho Chou, Tzyy-Leng Horng, Ming-Hon Hou, Stephen P. Muench, Ren-Shiang Chen, Ming-Daw Tsai*, and Nien-Jen Hu*
2024/08/01
細菌能利用鉀離子攝取系統KtrAB複合蛋白調節細胞內鉀離子濃度以適應細胞外的滲透壓變化。枯草芽孢桿菌的KtrAB複合蛋白是由鉀離子通道KtrB二聚體和細胞質側的調節蛋白KtrA八聚體所組成。該調節蛋白KtrA八聚體會組裝成環型結構，並以非共價鍵方式與KtrB進行組裝行成複合蛋白。過去研究已經證明ATP和ADP分別為KtrAB複合蛋白的活化劑和抑制劑。然而缺乏高解析度蛋白質結構，因此其ATP與ADP調控KtrAB的機制仍備受爭議。在本研究中，我們解出了枯草芽孢桿菌的KtrAB與ATP和ADP結合之單分子冷凍電子顯微鏡結構，其解析度分別為2.82 Å和2.83 Å。相較於ADP結合的KtrAB結構，ATP的結合誘導了KtrA八聚體環發生構型改變，其所造成的空間障礙促使KtrB D1M2螺旋形成髮夾構型的螺旋，並使D1M2螺旋轉折處上的Phe91之側鏈發生偏轉，因此使通道打開。D1M2螺旋的髮夾構型也減弱了Arg417與intramembrane loop的氫鍵網絡，導致通道更容易通透。我們並利用蛋白X-光晶體學鉈離子的異常散射確認ATP結合態KtrA二聚體中間存在鈉離子結合位點。而在功能測定中，鈉離子與ATP的同時結合會提高KtrA的穩定性，並更近一步活化KtrAB。高解析度結構和功能研究為ATP和鈉離子在活化KtrAB中的協同作用提供了新的見解，此研究結果將提供中樞神經系統中KNa通道的分子機制之研究基礎。