细胞膜中运输蛋白的动态结构揭秘

膜转运蛋白是一类关键的膜蛋白，负责协助底物和离子跨生物膜运输，对维持细胞稳态、调节信号通路以及转运营养物质等至关重要。其运输过程涉及蛋白构象的动态转变，例如“交替开放模型”所描述的，蛋白通过构象变化使底物结合位点交替暴露于膜的两侧。然而，在天然细胞膜环境中研究这些转运蛋白的功能状态结构面临诸多挑战，因为非天然环境（如洗涤剂、人工脂质 bilayer）可能改变蛋白构象。传统结构生物学技术如冷冻电镜和X射线晶体学虽能解析高分辨率结构，但多在洗涤剂环境中进行，难以反映天然状态下的动态变化。

本研究聚焦于一种“最小”膜转运蛋白——日本慢生根瘤菌SemiSWEET（BjSemiSWEET），首次利用原位固态核磁共振（in situ solid-state NMR）技术，在其天然细胞膜环境中开展研究。结果显示，在天然细胞膜中，BjSemiSWEET存在两种构象：1.5 Å分辨率的外向开放构象和2.5 Å分辨率的闭合构象。这两种构象通过跨膜螺旋TM1和环L2-3区域以毫秒至秒级的时间尺度发生交换，且交换速率与蔗糖转运速率相符。分子动力学模拟进一步证实，这两种构象是蔗糖运输过程中的功能状态。

与之形成对比的是，在人工合成的DMPC/DMPG脂质 bilayer中，BjSemiSWEET仅表现出一种构象，且该构象下蛋白无蔗糖转运活性。这表明，天然细胞膜的复杂环境（如脂质组成、膜曲率等）对维持转运蛋白的天然构象和功能至关重要，而简单的人工膜环境可能无法模拟这种复杂性。

本研究证实了原位固态核磁共振技术在解析天然细胞膜中膜蛋白高分辨率结构和构象动态方面的可行性与巨大潜力。它不仅能捕捉膜转运蛋白在生理环境下的功能构象转变，还有助于揭示未受干扰的分子机制，为动态细胞结构生物学领域带来了重要突破。