，，

ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體是所有轉(zhuǎn)運(yùn)體家族中最大的一類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)體，廣泛分布于從原核生物到人類(lèi)的幾乎所有的物種中。大部分的ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體都是跨膜蛋白質(zhì)，通過(guò)偶聯(lián)ATP的水解釋放的能量轉(zhuǎn)移底物。這些蛋白質(zhì)組成了古老的轉(zhuǎn)運(yùn)體家族，其進(jìn)化時(shí)間超過(guò)30億年。系統(tǒng)發(fā)生方面的證據(jù)支持ABC家族的分歧時(shí)間早于細(xì)菌、古細(xì)菌和真核生物的分歧時(shí)間，許多人類(lèi)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體與某些細(xì)菌如大腸桿菌的ABC同源。

不同類(lèi)型的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)運(yùn)不同的底物，從小分子如離子、糖或氨基酸到大分子如抗體、藥物、磷脂和寡肽等。在細(xì)菌中ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體參與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的攝取或細(xì)菌毒素的分泌以及將抗生素泵出細(xì)胞使細(xì)菌具有抗藥性；在植物中，ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體參與對(duì)除草劑的抗性[1]；在人類(lèi)中，ABC家族基因突變會(huì)導(dǎo)致功能改變，與一些遺傳病如囊性纖維化有關(guān)，另外ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體的上調(diào)表達(dá)與腫瘤細(xì)胞的耐藥性有關(guān)。ABC家族的蛋白質(zhì)不僅參與物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸，也參與除轉(zhuǎn)運(yùn)以外的其它功能如mRNA轉(zhuǎn)錄及DNA損傷修復(fù)等[2-3]。

1 大腸桿菌的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體

大腸桿菌是革蘭氏陰性菌，是包括人類(lèi)在內(nèi)許多動(dòng)物的腸道正常菌群。大腸桿菌K-12菌株，是一個(gè)非毒力缺乏O-抗原和K-抗原并在實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的菌株，常被認(rèn)為是大腸桿菌培養(yǎng)的標(biāo)準(zhǔn)菌株。1997年大腸桿菌K-12菌株完成全基因組測(cè)序，在其基因組中最大的蛋白質(zhì)家族是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體家族，發(fā)現(xiàn)了至少72個(gè)編碼ABC家族蛋白的基因，占整個(gè)基因組的5%[3]。這個(gè)龐大的轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)于維持大腸桿菌正常的營(yíng)養(yǎng)吸收及代謝產(chǎn)物的排出是非常重要的。而在人類(lèi)基因組中只有48個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體，金黃色葡萄球菌、果蠅、擬南芥分別有28、56、113個(gè)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng)。除植物外，真核生物較原核生物含有較少的ABC系統(tǒng)。如果基因組中ABC系統(tǒng)數(shù)量多，說(shuō)明這個(gè)生物有更多的底物被運(yùn)進(jìn)或運(yùn)出。因此在真核生物中，能運(yùn)動(dòng)的生物體如動(dòng)物較不能運(yùn)動(dòng)的生物如植物需要較少的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體。因?yàn)槟苓\(yùn)動(dòng)的生物含有較豐富的主動(dòng)運(yùn)輸系統(tǒng)保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供給和代謝產(chǎn)物的排出。

2 大腸桿菌ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體分類(lèi)

目前大腸桿菌ABC超家族根據(jù)研究進(jìn)展及功能分為3類(lèi)。第一類(lèi)為攝取系統(tǒng)，該類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)體將胞外的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞內(nèi)，是大腸桿菌獲取營(yíng)養(yǎng)的主要途徑，該類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)體包括已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的攝取系統(tǒng)共41個(gè)(見(jiàn)表1)，其中研究比較清楚的包括大腸桿菌VB12攝取系統(tǒng)BtuCDF轉(zhuǎn)運(yùn)體，HisJMPQ組氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體，OppABCDF寡肽轉(zhuǎn)運(yùn)體等，還有16個(gè)預(yù)測(cè)的ABC攝取系統(tǒng)，即這16個(gè)攝取系統(tǒng)目前為止功能還不清楚(見(jiàn)表2)[4]。第二類(lèi)為輸出系統(tǒng)，這類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物主要包括細(xì)胞內(nèi)合成的需要或能夠運(yùn)輸?shù)桨鈭?zhí)行功能的蛋白質(zhì)，例如胞外的外周蛋白，細(xì)胞壁的主要成分磷脂及脂多糖等都是依賴(lài)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體外排到胞外的，外排的底物還包括重金屬、大腸桿菌產(chǎn)生的溶血素、小菌肽、大腸桿菌素及抗生素等，大腸桿菌的外排轉(zhuǎn)運(yùn)體有11個(gè)(見(jiàn)表3)[3]，其中有一部分是根據(jù)結(jié)構(gòu)域預(yù)測(cè)的。這些ABC外排泵對(duì)于大腸桿菌適應(yīng)不良環(huán)境起非常重要作用。大腸桿菌外排系統(tǒng)研究較為清楚的包括LolCED負(fù)責(zé)脂蛋白在內(nèi)外膜間的翻轉(zhuǎn)[5]；MsbA在相關(guān)功能研究之前預(yù)測(cè)為與細(xì)菌抗藥性有關(guān)的外排系統(tǒng)，但是經(jīng)功能研究之后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)不但與多藥抗性有關(guān)，還負(fù)責(zé)將細(xì)胞質(zhì)合成的類(lèi)脂A(lipid A)轉(zhuǎn)運(yùn)到膜周間隙中[6]；脂多糖的外排系統(tǒng)LptAB[7]；溶血素外排系統(tǒng)HlyAB[8]；大腸桿菌素外排系統(tǒng)CvaAB[9]；亞鐵血紅素外排系統(tǒng)CcmAB[10]；YojI 轉(zhuǎn)運(yùn)體負(fù)責(zé)小抗菌肽J25的外排[11]；以及與大環(huán)內(nèi)酯類(lèi)藥物外排有關(guān)的macAB等[12]。輸出系統(tǒng)的大部分成員功能還未知；第3類(lèi)為與物質(zhì)運(yùn)輸無(wú)關(guān)的系統(tǒng)(見(jiàn)表4)。參與mRNA轉(zhuǎn)錄、DNA損傷的修復(fù)等，因此有人將ABC超家族翻譯成ABC系統(tǒng)。因?yàn)椴⒉皇撬械腁BC家族成員都參與一定底物的轉(zhuǎn)運(yùn)。大腸桿菌的非轉(zhuǎn)運(yùn)體預(yù)測(cè)的有4個(gè)，這類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)體典型的代表為UvrA，是目前為止已知的唯一一個(gè)與轉(zhuǎn)運(yùn)沒(méi)有關(guān)系的ABC家族成員。UvrA系統(tǒng)在紫外線(xiàn)誘導(dǎo)的DNA損傷中起到修復(fù)DNA的作用[13]。

3 大腸桿菌ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的結(jié)構(gòu)

所有的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體無(wú)論是攝取或輸出轉(zhuǎn)運(yùn)體都有相似的結(jié)構(gòu)，即包含整合膜蛋白構(gòu)成的2個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(MD)和2個(gè)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(NBD)，在許多細(xì)菌中，這4個(gè)結(jié)構(gòu)域分別由不同的基因編碼，如大腸桿菌的麥芽糖轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物MalEFGK[14]和核糖轉(zhuǎn)運(yùn)體復(fù)合物RbsBCD[15]，而在有些細(xì)菌和真核生物中這4個(gè)結(jié)構(gòu)域可能由一個(gè)基因編碼，同時(shí)包含1個(gè)NBD結(jié)構(gòu)域和1個(gè)MD結(jié)構(gòu)域，2個(gè)這樣的蛋白形成二聚體發(fā)揮功能，這樣的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體稱(chēng)為半轉(zhuǎn)運(yùn)體如大腸桿菌的磷脂A和多藥外排轉(zhuǎn)運(yùn)體MsbA[7]，也有些ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體由1個(gè)基因編碼同時(shí)含有2個(gè)NBD結(jié)構(gòu)域和2個(gè)MD結(jié)構(gòu)域，這樣的轉(zhuǎn)運(yùn)體稱(chēng)為全轉(zhuǎn)運(yùn)體，如人類(lèi)的腫瘤抗藥性轉(zhuǎn)運(yùn)體P-型糖蛋白就是1個(gè)典型的ABC家族的全轉(zhuǎn)運(yùn)體[16]。在過(guò)去的10年里來(lái)自于不同細(xì)菌的45個(gè)不同的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)有91個(gè)ABC晶體結(jié)構(gòu)被報(bào)道，其中35個(gè)是SBPs結(jié)構(gòu)，另外56個(gè)晶體結(jié)構(gòu)是NBD結(jié)構(gòu)和全長(zhǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)體結(jié)構(gòu)。后56個(gè)包含5個(gè)來(lái)自于4個(gè)不同的轉(zhuǎn)運(yùn)體和51個(gè)NBD結(jié)構(gòu)域，其中NBD結(jié)構(gòu)域中13個(gè)是以二聚體形式存在，另外的38個(gè)都是單體[17-27]。

3.1核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域 ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的NBD結(jié)構(gòu)域保守性較強(qiáng)，在幾乎所有的ATP結(jié)合蛋白中都包括保守的Walker A和Walker B結(jié)構(gòu)域，而信號(hào)結(jié)構(gòu)域(LSGGQ)只出現(xiàn)在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體家族中。NBD結(jié)構(gòu)域是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域，能結(jié)合并水解ATP產(chǎn)生的能量誘導(dǎo)NBD構(gòu)象改變，迫使NBD結(jié)構(gòu)域相互靠近并與ATP形成三明治結(jié)構(gòu)，這些改變傳遞給MD結(jié)構(gòu)域，引起其構(gòu)象改變，使其向內(nèi)或向外開(kāi)放，從而使底物輸入到胞外或胞內(nèi)。

基于已經(jīng)獲得的晶體結(jié)構(gòu)，一般的NBD結(jié)構(gòu)域包含3個(gè)部分：α螺旋結(jié)構(gòu)域，1個(gè)催化結(jié)構(gòu)域和1個(gè)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。而α螺旋結(jié)構(gòu)域和催化結(jié)構(gòu)域在所有的NBD結(jié)構(gòu)域中都存在，只有在CysA,GlcV和MalK轉(zhuǎn)運(yùn)體中存在額外的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域。所有的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的NBD結(jié)構(gòu)域包含高度保守的結(jié)構(gòu)域如Walker A (GXXGXGKS/T with X 代表如何氨基酸) 和 Walker B (ΦΦΦΦD with Φ 代表輸水氨基酸殘基)，這2個(gè)motif包含了ATP識(shí)別和結(jié)合的位點(diǎn)[28]，而信號(hào)結(jié)構(gòu)域(signature motif LSGGQ，也叫做C-loop或LSGGQ motif)只出現(xiàn)在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體中是ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)域，在NBD形成的二聚體中順向NBD的Walker A motif與反向NBD的signature motif 與ATP的□-磷酸結(jié)合形成催化結(jié)構(gòu)域。

表1 大腸桿菌中已經(jīng)被證實(shí)的輸入系統(tǒng)(41個(gè))Tab.1 Experimentally confirmed import system

NBD結(jié)構(gòu)域還包含A-環(huán)(A-loop)，Q-環(huán)(Q-loop)，D-環(huán)(D-loop)和H-環(huán)(H-loop也叫做switch loop)僅由一個(gè)保守的氨基酸殘基組成。組成A-環(huán)的氨基酸殘基為芳香族的氨基酸殘基，通常是酪氨酸，對(duì)于ATP與NBD結(jié)構(gòu)域的結(jié)合起輔助作用[29-30]；組成Q-環(huán)的氨基酸殘基為谷氨酰胺，與ATP’s的γ-磷酸結(jié)合；組成Q-環(huán)的氨基酸殘基為組氨酸，與ATP’s的γ-磷酸直接結(jié)合。在全長(zhǎng)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體中Q-環(huán)即與MD結(jié)構(gòu)域結(jié)合又與ATP結(jié)合，在NBD和MD結(jié)構(gòu)域的構(gòu)象偶聯(lián)中起重要作用[26，31]。

ATP與一個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)水解引起NBD的二聚化，但是2個(gè)位置的水解需要ATP與NBD形成三明治樣結(jié)構(gòu)[32]。ATP的結(jié)合、水解及ADP的釋放誘導(dǎo)NBD結(jié)構(gòu)域構(gòu)象的變化，NBD構(gòu)象的變化誘導(dǎo)MD構(gòu)象也發(fā)生變化從而完成底物的轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.2ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的跨膜結(jié)構(gòu)域 與保守的NBD結(jié)構(gòu)域相比，跨膜結(jié)構(gòu)域(MD)的保守性較差[33]，這與MD結(jié)構(gòu)域參與不同底物轉(zhuǎn)移的功能有關(guān)。在ABC外排轉(zhuǎn)運(yùn)體中，全長(zhǎng)的轉(zhuǎn)運(yùn)體含有2個(gè)MD結(jié)構(gòu)域形成1個(gè)二聚體結(jié)構(gòu)，包含12個(gè)跨膜的α螺旋，而ABC攝取轉(zhuǎn)運(yùn)體中，跨膜α螺旋數(shù)量不同，10～12個(gè)跨膜螺旋可能是底物跨膜轉(zhuǎn)移的最小數(shù)量。許多ABC外排泵的MDs都有2個(gè)位于細(xì)胞外的環(huán)和2個(gè)位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的環(huán)。在金黃色葡萄球菌多藥外排轉(zhuǎn)運(yùn)體Sav1866 同源二聚體結(jié)構(gòu)中，位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)內(nèi)有2個(gè)短偶聯(lián)螺旋形成的環(huán)(ICL1和ICL2)與細(xì)胞膜平行并與NBD結(jié)構(gòu)域相互作用[34]。第一個(gè)偶聯(lián)螺旋(ICL1)可以同時(shí)與2個(gè)NBD結(jié)構(gòu)域結(jié)合，而第2個(gè)偶聯(lián)螺旋(位于ICL2) 專(zhuān)一的與半轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)面的NBD結(jié)構(gòu)域結(jié)合[35]。在NBD結(jié)構(gòu)域中Q-環(huán)提供了與偶聯(lián)螺旋相互作用的氨基酸殘基。NBD結(jié)構(gòu)域中有1個(gè)保守的位于X-環(huán)(X-loop)谷氨酸鹽可以同時(shí)與兩個(gè)偶聯(lián)螺旋結(jié)合被認(rèn)為在NBDs與MDs的相互作用中起重要作用[35]。NBD和MD偶聯(lián)的確切機(jī)理還不清楚。

3.3底物識(shí)別結(jié)構(gòu)域 攝取系統(tǒng)而不是輸出系統(tǒng)通常包含可以與底物識(shí)別和結(jié)合的底物結(jié)合受體(solute-binding receptors，SBP)，一個(gè)系統(tǒng)通常含有一個(gè)或多個(gè)底物結(jié)合受體，在革蘭氏陰性菌中底物結(jié)合受體位于細(xì)胞周質(zhì)(periplasm)，革蘭氏陰性菌如大腸桿菌的原核型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的基質(zhì)結(jié)合蛋白和自由狀態(tài)的基質(zhì)結(jié)合蛋白在胞外空間含量較高。其比例遠(yuǎn)高于可能與他們結(jié)合的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體。可能額外的SBPs能夠結(jié)合可能結(jié)合的任何底物，經(jīng)SBPs將底物交給附近的ABC輸入泵完成底物轉(zhuǎn)運(yùn)。在革蘭氏陰性菌的外排泵中需要確保ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體與外膜蛋白結(jié)合便于穿過(guò)膜周間隙的轉(zhuǎn)運(yùn)，如大腸桿菌外排溶血素系統(tǒng)HlyB[8]。HlyB轉(zhuǎn)運(yùn)體轉(zhuǎn)移溶血素時(shí)與外膜蛋白TolC相互作用，在外膜與膜周間隙形成一個(gè)跨膜轉(zhuǎn)移溶血素的外排系統(tǒng)。

在革蘭氏陽(yáng)性菌中缺乏外膜的SBPs暴露在細(xì)胞表面，因此底物結(jié)合受體既可以是脂蛋白也可以位于細(xì)胞質(zhì)膜外，或細(xì)胞表面相關(guān)蛋白，底物結(jié)合蛋白分為6個(gè)亞家族[36]。SBP與MT和NBD形成的同源或異源二聚體的N端或C端結(jié)合，因此2個(gè)或更多的SBP可以與二聚體結(jié)合可以促進(jìn)轉(zhuǎn)運(yùn)效率。而有些特殊的高度親和的ABC家族的攝取系統(tǒng)如維生素、礦物質(zhì)和其他小分子攝取系統(tǒng)叫做ECF系統(tǒng)，缺乏細(xì)胞外的受體[37]。

大腸桿菌是最簡(jiǎn)單的模式生物，對(duì)其它ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體系統(tǒng)進(jìn)行研究不僅可以了解該物質(zhì)ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，同時(shí)也可以為其他物種的相關(guān)研究提供理論參考，大腸桿菌的外排泵家族中有一部分與其抗藥性有關(guān)，對(duì)這些外排泵的深入研究對(duì)于解讀人類(lèi)的抗腫瘤藥物的外排有一定的幫助。