北京時間2025年3月13日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心范敏銳研究組與西湖大學吳旭冬團隊、復旦大學張金儒團隊及浙江大學蘇楠楠團隊合作，于國際權威學術期刊《自然》（Nature）發(fā)表了題為“Structure and mechanism of the plastid/parasite ATP/ADP translocator”的研究論文，解析了葉綠體和衣原體ATP/ADP轉運蛋白的高分辨率冷凍電鏡結構，深化了人們對于葉綠體內(nèi)共生過程中跨膜能量傳遞的分子機制的理解。
眾所周知，線粒體是真核細胞的動力工廠，生產(chǎn)生命活動所需的能量——ATP。在線粒體內(nèi)膜上有一種被稱為AAC的ATP/ADP轉運蛋白，它可以將ATP從線粒體轉運到細胞質(zhì)基質(zhì)為各種代謝活動供能，同時將ADP從細胞質(zhì)基質(zhì)轉運到線粒體用于ATP合成。研究發(fā)現(xiàn)，植物細胞葉綠體（及其他質(zhì)體，如合成淀粉的淀粉體等）內(nèi)膜上也有一種被稱為NTT的ATP/ADP轉運蛋白，它的功能恰好與線粒體AAC蛋白相反，NTT可將ATP從細胞質(zhì)基質(zhì)轉運到葉綠體為代謝活動供能，同時將ADP和磷酸根（Pi）從葉綠體轉運到細胞質(zhì)基質(zhì)中（圖1a）。相比于線粒體AAC蛋白，葉綠體NTT是已知的底物特異性最高的ATP/ADP轉運蛋白，只能轉運ATP/ADP而不能轉運其它堿基種類核苷酸（如GTP/GDP、CTP/CDP等）和脫氧的dATP/dADP。研究表明，質(zhì)體NTT在植物光合作用、淀粉合成及脂肪酸合成等物質(zhì)和能量代謝過程中起重要作用。值得一提的是，硅藻中的NTT同源蛋白具有底物多樣性，不僅可以轉運細胞內(nèi)的各種核苷酸，還可以轉運人工設計的非天然核苷酸，在合成生物學領域有重要的應用。
有意思的是，在衣原體等專性胞內(nèi)病原體（obligate intracellular pathogens）的細胞膜上也存在著類似于NTT的ATP/ADP轉運蛋白，負責將宿主細胞的ATP轉運到病原體細胞內(nèi)為代謝供能（亦被稱為能量寄生）（圖1b），而一般的自生細菌（如大腸桿菌、藍細菌等）則不具有這種NTT蛋白。如果藍細菌沒有NTT蛋白，而根據(jù)內(nèi)共生理論葉綠體是由藍細菌進化而來的，那么葉綠體的NTT蛋白從何而來呢？有猜想推測在內(nèi)共生過程中，最初一個真核細胞同時吞噬了固氮藍細菌和衣原體，由于固氮藍細菌需要消耗大量的能量進行固氮，因此從衣原體通過基因水平轉移的方式獲得NTT這種轉運ATP的膜蛋白，之后在進化過程中便一直保留下來，逐漸成為葉綠體和其他質(zhì)體中不可或缺的一部分（圖1c）。特別值得一提的是，最近有研究將NTT蛋白引入到藍細菌中，在體外可以實現(xiàn)藍細菌在能量代謝缺陷型酵母細胞內(nèi)的共生，該共生體系統(tǒng)可存活達24代（圖1d）。
為了求證葉綠體NTT蛋白的來源問題并闡明其識別和轉運ATP/ADP的分子機制，范敏銳研究組與合作者利用冷凍電鏡聯(lián)合納米抗體輔助，解析了來源于擬南芥葉綠體和肺炎衣原體的NTT蛋白的高分辨率三維結構（2.9 ?-2.7 ?）。其中擬南芥葉綠體NTT蛋白的三個結構分別處于外向開放態(tài)構象和結合底物（ATP或ADP加Pi）的內(nèi)向部分開放態(tài)構象，肺炎衣原體NTT蛋白的兩個結構分別處于外向開放態(tài)構象和結合底物（ATP）的內(nèi)向開放態(tài)構象。結構顯示NTT蛋白由12個跨膜螺旋組成，采取MFS（major facilitator superfamily）超家族的折疊模式，其中前6個跨膜螺旋組成N端結構域，后6個跨膜螺旋組成C端結構域（圖2a）。擬南芥葉綠體和肺炎衣原體NTT的結構疊合顯示兩個物種來源差異巨大的蛋白質(zhì)具有非常相似的三維結構（圖2b），印證了植物葉綠體NTT蛋白來源于衣原體相應蛋白的猜想。
研究發(fā)現(xiàn)ATP分子（或ADP和Pi）的結合位點處于NTT蛋白的中央部分，位于N端結構域和C端結構域之間（圖2c,d）。ATP的結合涉及其三個部分（腺嘌呤、核糖和磷酸）與NTT的大量相互作用，其中，ATP的腺嘌呤部分被夾在芳香族和疏水氨基酸殘基之間，其帶負電的磷酸基團則與周圍帶正電的氨基酸殘基相互作用。ADP的結合位點與ATP類似，但是二者的構象有所差別，ATP的磷酸基團呈伸展的構象而ADP的磷酸基團呈折疊的構象，因此周圍的互作殘基也略有差別。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)Pi的結合位置正好對應ATP的γ磷酸基團的位置。為了驗證結構上的發(fā)現(xiàn)，研究人員建立了基于化學發(fā)光的ATP/ADP交換實驗以及基于放射性同位素的ATP-32P攝取實驗，設計了一系列ATP/ADP結合位點的突變體，最終轉運活性測定結果與結構上的發(fā)現(xiàn)相吻合。此外，研究人員還通過NTT蛋白熱穩(wěn)定性分析發(fā)現(xiàn)Pi可以顯著促進ADP的結合，提示二者的結合具有協(xié)同效應，這與NTT的轉運特性即ADP和Pi的共轉運不謀而合。此外，研究發(fā)現(xiàn)如果將NTT中一個進化上非常保守的天冬酰胺殘基（擬南芥AtNTT1中為N282）突變成丙氨酸，則其轉運其他核苷酸（如GTP、CTP和UTP）的活性顯著增加，提示該殘基可能在NTT特異識別ATP中起重要作用。
另一方面，通過對比已解析的葉綠體和衣原體NTT處于不同構象的結構，結合突變體和功能實驗，研究表明NTT的N端結構域和C端結構域是兩個相對剛性的部分，二者之間相對擺動，通過改變兩個結構域之間的相互作用，來促進ATP或ADP加Pi的結合、跨膜轉運與釋放（圖3），其轉運機理符合MFS超家族的rocker-switch交替通路模型。
該研究不僅揭示了葉綠體和衣原體ATP/ADP轉運蛋白NTT識別和跨膜轉運底物的分子機理，加深了人們對于葉綠體內(nèi)共生過程中跨膜能量傳遞機制的理解，也為改造NTT用于改良作物提高產(chǎn)量以及設計NTT抑制劑藥物治療專性胞內(nèi)病原體引起的疾病提供了重要思路。
中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心副研究員林華建、西湖大學博士生黃堅、分子植物卓越中心科研助理李天明和博士后李文娟為共同第一作者，分子植物卓越中心范敏銳研究員、西湖大學吳旭冬研究員、復旦大學張金儒研究員及浙江大學蘇楠楠研究員為共同通訊作者。分子植物卓越中心博士生吳雨桐和楊天驕、博士后年宇薇、科研助理王睿瑛和趙曉慧，復旦大學碩士生林湘及浙江大學博士后王江勤也參與了該研究。感謝浙江大學、西湖大學和復旦大學冷凍電鏡平臺以及分子植物卓越中心公共技術服務中心的支持和幫助。感謝分子植物卓越中心同位素室徐乃旭和陳根云兩位老師的大力幫助。該研究得到分子植物卓越中心、中國科學院先導科技專項、中國科學院上海分院和上海市“科技創(chuàng)新行動計劃”的大力支持和資助。
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08743-3
圖1. 葉綠體和專性胞內(nèi)病原體ATP/ADP轉運蛋白以及葉綠體的內(nèi)共生過程和體外對內(nèi)共生的人工模擬。圖1c修改自L?ffelhardt, 2013; 圖1d修改自De et al, Nat Commun, 2024
圖2 擬南芥葉綠體NTT（AtNTT1）的結構及其與肺炎衣原體NTT（CpNTT1）結構的對比，以及AtNTT1的ATP結合位點
圖3 NTT介導的跨膜ATP/ADP轉運過程
本文鏈接：http://m.enbeike.cn/news-8-2762-0.html我國科研人員揭示葉綠體內(nèi)共生過程中能量傳遞的分子機制
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