血红素是蛋白质血红蛋白的重要组成部分，它将人类血液染成红色。血红素对于为细胞提供动力的细胞色素蛋白也至关重要。人类、动物、植物和细菌都使用血红素。

血红蛋白将氧气运送到需要它的组织，而细胞色素则携带电子以在细胞中进行能量转换。但了解血红素如何跨膜移动——就像它需要的那样，以便插入血红蛋白和细胞色素——一直具有挑战性。血红素转运是短暂的，这意味着血红素快速穿过细胞膜并且不留下任何痕迹。并且血红素结合膜蛋白难以大量纯化。

在 12 月 20 日发表在《自然化学生物学》上的研究中，圣路易斯华盛顿大学的科学家们首次描述了一种名为 CcsBA的双功能蛋白质的结构，该蛋白质运输血红素并将其附着在细胞色素上。由艺术与科学生物学教授 Robert Kranz 领导的研究捕获了 CcsBA(一种细菌和叶绿体蛋白)的两种构象状态，使科学家能够表征酶机制。

“这篇新论文阐述了 CcsBA 机器如何运作的结构基础，揭示了在血红素运输周期中发生的主要动态转换，”克兰兹说。

这项研究是与华盛顿大学医学院细胞成像中心 (WUCCI) 主任、神经科学、细胞生物学和生理学以及生物医学工程教授 James Fitzpatrick 和 Michael Rau 合作完成的，他的团队中的一名科学家和结构生物学家。他们利用了一种称为单粒子平均的尖端结构生物学技术，该技术利用最先进的低温电子显微镜 (cryo-EM) 对处于天然玻璃化(冷冻)状态的蛋白质的不同视图进行成像。在对所有不同的视图进行排序后，他们能够构建冷冻电镜密度图——这是由一系列不同视图的二维投影构建的蛋白质的三维表示——从中克兰兹

“冷冻电镜是一种变革性技术，它使我们能够在近原子水平上可视化给定蛋白质的结构排列，包括从状态集合中梳理出不同构象的能力，”菲茨帕特里克说。“正是后一种能力使我们能够捕捉到血红素运输的机制。”

cyro-EM 数据确定了一种或两种血红素分子结合的两种状态。

“我们能够构建的结构模型表明，CcsBA 被血红素困在两种不同的构象中，我们将其称为闭合状态和开放状态，”克兰兹说。“这项新的工作解决了 CcsBA 机器运行的结构基础，揭示了在运输周期中发生的主要动态转换。

“最酷的发现之一是在血红素运输时会打开一个大室，”他说。该室用于细胞色素 c 合成。

共同第一作者 Deanna L. Mendez 是生物学博士后科学家，之前与克兰兹在 eLIFE 中共同撰写了一项关于重组纯化细菌和人类血红素合酶的研究。CcsBA 不同于人类形式的血红素转运蛋白/细胞色素c合酶。通过识别其结构获得的见解使研究人员在开发选择性靶向细菌的抗菌剂方面具有优势。

“在 CcsBA 中，我们观察到跨膜 alpha 螺旋之间的清晰路径，可以让血红素从跨膜血红素位点传播到外部血红素位点，”门德斯说。“由于血红素在出口过程中浓度梯度下降，我们不认为该过程需要能源。”

共同第一作者 Ethan Lowder 是华盛顿大学的一名大四学生，在这个项目上工作了两年。

“解决蛋白质的新结构非常困难，”洛德说。“在这种情况下，我们没有可以依赖的类似结构作为模板或起点。这绝对是一个挑战，但我们一直努力完成最终结构。”

第二作者 Dustin Tillman 在完成这项工作时是华盛顿大学的本科生，他在净化 CcsBA 方面发挥了重要作用。他与 WUCCI 团队合作，优化单粒子冷冻电镜研究的样品制备。“Dustin 还对他纯化的制备物进行了重组分析，以表明它们是活性合酶，”Kranz 说。

“我感谢我们才华横溢的本科研究人员在这项 NIH 支持的研究中的贡献和参与，”克兰兹说。“这项研究是我们实验室研究血红素转运和细胞色素组装三十多年的结晶，因此了解两者的结构基础令人满意。这将导致更多关于腔室打开、转运和合酶反应机制的实验在密室里。”