《Nature Communications》：Molecular mechanism of phosphate import by the bacterial PstSCAB transporter
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本研究针对细菌高亲和力磷酸盐转运系统PstSCAB的结构机制空白，通过冷冻电镜技术解析了其静息态、易位前态和催化中间态的三维结构，发现PstS构象变化与PstB的ATP结合/解离可诱导跨膜结构域发生刚性运动，并鉴定出关键磷酸结合残基Arg220(PstA)/Arg237(PstC)，为针对该转运体的抗菌药物研发提供了结构基础。
在微生物的生命活动中，无机磷酸盐（Pi）扮演着不可或缺的角色，它是能量货币ATP的组成部分，也是遗传物质和细胞膜的重要构件。为了在贫磷环境中生存，细菌演化出高亲和力的磷酸盐特异型ABC转运体PstSCAB。这个由五个亚基组成的精密分子机器，包含形成跨膜通道的PstA和PstC，负责磷酸盐捕获的周质结合蛋白PstS，以及催化ATP水解供能的两个PstB亚基。值得注意的是，该转运体的功能异常会显著削弱病原菌的致病力，这使其成为极具潜力的抗菌药物靶标。然而科学界长期以来缺乏对PstSCAB在不同工作状态下完整结构的认知，特别是PstS如何通过构象转换完成磷酸盐的传递，以及ATP水解释放的能量如何驱动跨膜转运的分子细节仍笼罩在迷雾中。
为揭开这一谜团，研究团队采用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了PstSCAB在静息态、易位前态和催化中间态的高分辨率结构。这些结构如同按下暂停键的分子电影，清晰展现了转运体工作的动态过程。研究发现，周质蛋白PstS通过其结构域间的开合运动，在游离状态和与跨膜结构域（TMD）对接状态间切换，从而实现磷酸盐的捕获与递送。更引人注目的是，胞内ATP结合盒组件PstB的ATP结合与水解活动，会引发TMD发生刚性位移，使转运通道在向内开放和向外开放构象间转换。在TMD的磷酸盐结合口袋中，研究人员精准定位了决定底物选择性的关键氨基酸——带正电荷的Arg220（位于PstA）和Arg237（位于PstC），它们通过静电相互作用稳定磷酸盐分子。
这项发表于《Nature Communications》的研究，首次提供了PstSCAB转运体工作周期的完整结构图谱，不仅深化了对细菌营养物质摄取机制的理解，更为设计针对此靶点的新型抗菌药物提供了精准的分子蓝图。通过干扰病原菌的磷酸盐获取途径，有望开发出对抗耐药性细菌感染的新策略。
关键技术方法包括：利用冷冻电镜（cryo-EM）解析PstSCAB复合物的三维结构，获得了其静息态、易位前态和催化中间态的高分辨率结构模型；通过结构分析手段阐释构象变化机制。
研究结果：
PstSCAB的整体结构
通过冷冻电镜解析了PstSCAB复合物在三种不同状态下的结构，揭示了其由跨膜结构域（TMD，包含PstA和PstC）、周质结合蛋白PstS和核苷酸结合域PstB组成的五聚体架构。
PstS的构象变化
发现PstS在游离和与TMD结合状态下发生显著的结构域重排，这种构象转换是实现磷酸盐从周质空间向TMD传递的结构基础。
ATP结合与水解驱动转运
研究表明PstB亚基的ATP结合诱导TMD形成向外开放构象，而ATP水解后则促使TMD转向向内开放状态，完成磷酸盐的跨膜转运。
磷酸盐识别机制
在TMD的底物结合口袋中鉴定出关键残基Arg220（PstA）和Arg237（PstC），它们通过正电荷相互作用特异性地识别和稳定磷酸盐分子。
研究结论与讨论部分强调，该研究系统揭示了PstSCAB转运体通过PstS构象转换和ATP水解能量耦合驱动磷酸盐跨膜转运的分子机制。所获得的不同功能状态结构为理解ABC转运体的工作机制提供了重要见解，特别是明确了TMD构象变化与核苷酸结合状态之间的直接关联。鉴定的磷酸盐结合关键残基为针对该转运体开发抗菌药物提供了精确的靶向位点。由于PstSCAB系统与细菌致病性密切相关，该研究对开发新型抗菌策略具有重要的理论指导意义。
