日本理化學研究所生命機能科學研究中心蛋白質功能和結構研究團隊的特別委託研究員中村寬夫、專任研究員久野玉雄和組長白水美香子，與兵庫縣立大學研究生院理學研究科的特命教授城宜嗣和研究生Mahfuzur Rahman等人組成的聯合研究團隊，闡明瞭排出對病原菌（革蘭氏陽性菌）有毒的寄主血基質的膜蛋白「ABC轉運蛋白」的工作機制。
圖1：革蘭氏陽性菌的血基質利用和解毒模式
儘管吸收血基質的血基質内向轉運蛋白和分解血基質並將其作爲非血基質鐵利用的血基質加氧酶的功能和結構已明確（左側：帶狀模式中顯示的蛋白質分子），但此前一直不清楚推測爲血基質外排泵的HrtBA蛋白（右側：灰色蛋白質）的工作機制。（提供：理化學研究所）
鐵是大部分生物需要的一個基本元素。生物體中的鐵大多都以鐵離子被環狀有機分子（卟啉）覆蓋的血基質（鐵原卟啉Ⅸ）形式存在。血基質透過與各種蛋白質結合來負責氧化還原反應和氧氣運輸等生命活動所需的多種生物化學反應，一個典型的例子是血基質與珠蛋白結合形成的血紅素。另一方面，已知未與蛋白質結合的遊離血基質會產生活性氧，具有細胞毒性。
研究團隊驗證了革蘭氏陽性菌之一的金黃色葡萄球菌攜帶的HrtBA蛋白是否具有血基質解毒能力。大腸桿菌實驗室菌株K12被血基質無法透過的外膜包裹着，因此對血基質有耐性。研究團隊利用重組DNA技術將外來血基質導入大腸桿菌細胞内發現增殖速度下降，因此應答血基質對該重組大腸桿菌有毒性。使這種血基質敏感性重組大腸桿菌株進一步表達來自白喉菌的hrtBA基因發現，增殖速度恢復。
爲調查HrtBA蛋白作爲膜蛋白的特性，研究團隊在有界面活性劑的情況下從重組大腸桿菌細胞膜中溶解和純化HrtBA蛋白後，將其重新埋入脂質奈米圓盤，由此製作了僅埋入HrtBA蛋白的假細胞膜。向重新構成奈米圓盤的HrtBA蛋白中添加血基質應答，可以促進HrtBA蛋白的ATP水解活性。另外研究團隊還發現，在HrtBA蛋白與血基質結合的狀態下添加ATP，血基質會從HrtBA蛋白中游離出來。
以上結果表明，這種ABC轉運蛋白是一種血基質外排泵，會擷取進入病原菌細胞膜的遊離血基質，並透過隨後與ATP結合而發生的結構變化將血基質排出。
此次的實驗數據表明，HrtBA蛋白排出血基質並不是使其從細胞質中穿過細胞膜排出，而是從細胞膜中汲取出來的，透過以下三種反應進行：
①HrtBA蛋白未與ATP結合時，與進入細胞膜的血基質結合，從膜中抽出。
②ATP與跟血基質結合的HrtBA蛋白結合時，隨着HrtBA蛋白跨膜結構域的結構發生變化，排出結合的血基質。
③ATP被HrtBA蛋白的ATP水解活性分解。
由此研究團隊推導出了一個模式，進行到③的狀態後，HrtBA蛋白的結構恢復到①，血基質外排泵的功能發生反轉。
中村特別委託研究員表示：「正如院内傳染那樣，銅綠假單胞菌（革蘭氏陰性菌）、金黃色葡萄球菌和鏈球菌（革蘭氏陽性菌）等常居菌在產生使得傳統抗生素不起作用的多重抗藥性後，會引起危及生命的敗血症和腦膜炎等，因此亟需開發新的抗生素。靶向HrtBA的功能抑制劑雖然僅限於革蘭氏陽性菌，但有望實施抑制其在血液中增殖的抗菌效果。」
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）
論文：Structural basis for heme detoxification by an ATP-binding cassette–type efflux pump in gram-positive pathogenic bacteria
DOI：10.1073/pnas.2123385119
