施一公等《自然》論文解析GadC結構

　　2012年3月11日，清華大學生命學院施一公教授研究組在《自然》(Nature)在線發表了名為“Structure and mechanism of a glutamate-GABA antiporter”的科研論文，報道了大腸桿菌谷氨酸：γ-氨基丁酸(GABA)反向轉運蛋白 (GadC) 的晶體結構，并結合生化實驗提出了GadC轉運底物的可能機制。

　　2011年在歐洲爆發的腸溶血性大腸桿菌疫情導致數千人感染，多人死亡，并引起了極大的社會恐慌。大腸桿菌O104:H4菌株是這一疫情的罪魁禍首。食物來源的大腸桿菌必須通過極酸的胃環境 (pH~2) 才能到達腸道，為了保證在如此低的pH下仍然能夠存活，大腸桿菌進化出了多個抗酸系統來對抗極酸環境。因此研究大腸桿菌抗酸機制對人類健康有直接的重要意義。

　　大腸桿菌抗酸系統II (Acid Resistance system 2)通過谷氨酸:γ-氨基丁酸反向轉運蛋白 (GadC) 將細胞外的谷氨酸轉運到細胞內，在胞漿內谷氨酸發生脫羧反應，消耗一個質子生成γ-氨基丁酸，而產物γ-氨基丁酸再被GadC轉運到細胞外。整個過程相當于向細胞外排出一個質子，降低了細胞內的質子濃度，從而起到了抗酸的作用。理解GadC的工作機理對于研究腸道致病菌抗酸系統十分關鍵。從GadC的三維空間結構信息入手，施一公教授研究組解析了大腸桿菌GadC高分辨率的晶體結構。結構分析表明，含有12個跨膜螺旋的GadC在pH堿性條件下呈現出轉運通道開口朝向胞內的構象，令人驚奇的是，GadC羧基端結構域在細胞內一側像塞子一樣將轉運通道封閉住。同時進一步的生化實驗表明，GadC對底物的轉運嚴格依賴于環境pH值：野生型GadC在pH小于6.5的環境下才具有轉運能力，而在pH大于6.5的環境中完全沒有活性。羧基端“塞子”結構域在 GadC感受pH的過程中起到了重要的調節作用。這樣一種機制既保證了抗酸系統在極酸環境中能夠啟動并轉運底物，又防止其在正常生理條件下造成胞內質子不必要的外流。

　　以上研究成果為進一步研究大腸桿菌抗酸機制提供了重要線索。這是施一公教授研究組繼2009年、2010年報道Arginine:Agmatine反向轉運蛋白AdiC的結構與機理之后，在腸道細菌抗酸性研究中的又一重要成果。

　　今年，施一公教授的研究工作進展順利，1月份，他和顏寧小組合作在《科學》發表一篇論文;2月29日，他在《自然》發表一篇論文。