中国科学家揭示能量跨膜运输新机制

2025-03-18 16:11:42 来源：中国青年网

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3月13日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心范敏锐研究员团队联合西湖大学吴旭冬研究员团队、复旦大学张金儒研究员团队和浙江大学苏楠楠研究员团队在国际学术期刊《自然》（Nature）发表论文，首次解析病原体/植物叶绿体ATP（腺苷三磷酸）运输蛋白的三维结构及运输ATP的分子机制。这一研究为设计药物治疗相关疾病以及改造蛋白提高作物产量提供了重要思路。

ATP是腺苷三磷酸的简称，是一种核苷酸，它是细胞内的主要“能量货币”。所有生物体都依赖能量来维持基本的生理功能，而过去40多年研究发现，能量代谢缺陷的细胞内寄生病原体可以从宿主细胞获取ATP，但具体的分子机制一直不清楚。

以人体为例，人体中ATP的总量只有大约0.1摩尔。人体细胞每天的能量需要水解200-300摩尔的ATP，这意味着每个ATP分子每天要被重复利用2000-3000次。ATP不能被储存，因为ATP的合成后必须在短时间内被消耗。如果病原体“疯狂”获取ATP，影响到正常细胞摄入ATP，那么人就会生病。

在自然界中，一类特殊的病原体必须寄生在宿主细胞内部才能存活，被称为专性胞内病原体。这些病原体包括沙眼衣原体（引发性传播疾病和传染性失明）、肺炎衣原体（引发非典型肺炎）、立克次氏体（引发流行性斑疹伤寒）及微孢子虫（在免疫力低下人群中引发微孢子虫病）等。

研究发现，这些专性胞内病原体由于自身能量代谢能力退化，无法独立产生足够ATP，因此必须从宿主细胞获取能量。在它们的细胞膜上存在一种特殊的蛋白质——ATP/ADP（腺苷三磷酸/腺苷二磷酸）运输蛋白（NTT），它能将宿主细胞的ATP转运到病原体内部，并将ADP和磷酸根（Pi）运回宿主细胞。病原体既能偷偷“窃取”宿主细胞能量，又能不让宿主“觉察到”，从而实现生长繁殖。

NTT蛋白对病原体生存有一定的重要性，早期研究提出若能抑制其活性，则可能开发出新型抗生素或治疗药物。另一方面，增强叶绿体或淀粉体NTT蛋白的活性，可能提高植物光合作用效率，增加农作物产量。然而，尽管NTT研究已有50多年，其具体的ATP识别和跨膜运输机制仍不清晰，阻碍了药物设计和蛋白改造的进展。

范敏锐团队与合作者首次解析了肺炎衣原体和植物叶绿体NTT蛋白的高分辨率三维结构，发现尽管二者来源不同，但三维结构高度相似，印证了叶绿体NTT蛋白来源于衣原体的假说。研究发现ATP（或ADP+Pi）结合位点位于NTT蛋白中央，由保守的氨基酸特异识别ATP。结合结构分析和功能实验，研究表明NTT蛋白由N端和C端两个相对刚性的结构域组成，二者之间通过相对摆动促进ATP结合、跨膜运输和释放。

据介绍，这一研究揭示了衣原体和叶绿体NTT蛋白识别及跨膜运输ATP的分子机制，为开发针对专性胞内病原体的新型抗生素提供了分子基础，有助于改造NTT蛋白提升作物光合作用效率和农业增产。