Блог

Apr 30, 2023

Строение и механизм переносчика оксалатов OxlT в оксалате

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 14, номер статьи: 1730 (2023) Цитировать эту статью

2494 Доступа

54 Альтметрика

Подробности о метриках

Бактерия, разлагающая оксалат в микробиоте кишечника, поглощает оксалат, полученный из пищи, и использует его в качестве источника углерода и энергии, тем самым снижая риск образования камней в почках у животных-хозяев. Бактериальный переносчик оксалатов OxlT избирательно переносит оксалат из кишечника в бактериальные клетки, строго отделяя его от других питательных карбоксилатов. Здесь мы представляем кристаллические структуры связанного с оксалатом и свободного от лиганда OxlT в двух различных конформациях: окклюзированном и обращенном наружу состояниях. Лигандсвязывающий карман содержит основные остатки, которые образуют солевые мостики с оксалатом, предотвращая при этом конформационный переход в окклюдированное состояние без кислого субстрата. Окклюзированный карман может вмещать оксалаты, но не более крупные дикарбоксилаты, такие как промежуточные продукты метаболизма. Пути проникновения из кармана полностью блокируются обширными междоменными взаимодействиями, которые могут быть открыты только переворотом одной боковой цепи, соседней с субстратом. Это исследование показывает структурную основу, лежащую в основе метаболических взаимодействий, обеспечивающих благоприятный симбиоз.

Оксалат — это наименьший дикарбоксилат (C2O42–), поступающий с нашим ежедневным рационом из продуктов, содержащих оксалат1, таких как овощи, бобы и орехи2. Оксалат также является конечным продуктом метаболизма в нашем организме и частично секретируется в кишечник через системный кровоток1. Затем он всасывается из кишечного тракта и выводится через почки3. Однако избыток оксалатов образует нерастворимую соль с кальцием крови и вызывает мочекаменную болезнь (рис. 1а). Oxalobacter formigenes представляет собой бактерию, разлагающую оксалат в кишечнике4, которая может метаболически разлагать кишечный оксалат и, таким образом, вносит значительный вклад в гомеостаз оксалатов у животных-хозяев, включая человека3,5,6. Действительно, известно, что пациенты с муковисцидозом7 или воспалительным заболеванием кишечника8 или те, кто перенес операцию тощей подвздошного шунтирования9, имеют низкие показатели колонизации O. formigenes и повышенный риск гипероксалурии и образования камней в почках.

Схематическое изображение функции OxlT у бактерии O. formigenes, разлагающей оксалат, в кишечнике. б, в Кристаллические структуры оксалатосвязанного (PDB ID 8HPK; б) и безлигандного (PDB ID 8HPJ; в) OxlT. d Суперпозиция связанного с оксалатом и свободного от лиганда OxlT. Показаны вид из периплазмы (вверху) и два вида в трансмембранной плоскости (внизу). д, е Карта электростатического потенциала поверхности связанного с оксалатом (д) и без лиганда (е) OxlT. На поверхностях были нанесены электростатические потенциалы при ±5 кТе-1.

Транспортер оксалата (OxlT), антипортер оксалат:формиат (OFA)10 у O. formigenes, является ключевой молекулой для метаболизма оксалатов у этой бактерии. OxlT катализирует антипорт карбоксилатов через клеточную мембрану в соответствии с их электрохимическими градиентами с субстратной специфичностью, оптимизированной для дикарбоксилата C2, оксалата. Действительно, транспортер демонстрирует высокую скорость оборота (>1000/с) для самообмена оксалатов11,12. В физиологических условиях у оксалатного автотрофа O. formigenes карбоксилатообменная функция OxlT обеспечивает поглощение оксалата из кишечника хозяина в качестве единственного источника углерода для бактерии и высвобождение формиата (HCO2–), конечного продукта распада оксалата. он токсичен, если накапливается в бактериальной клетке11,12,13 (рис. 1а). Каталитический обмен оксалат-формиат в OxIT сопровождается метаболической деградацией оксалата в формиат посредством декарбоксилазы, которая поглощает протон в цитозоле, что приводит к образованию протонного электрохимического градиента через мембрану бактериальной клетки11. Таким образом, OxlT служит «виртуальным протонным насосом», который создает движущую силу протонов для синтеза бактериального АТФ11. Таким образом, функциональные характеристики OxlT как антипортера между оксалатом и формиатом, а не как унипортера каждого химического вещества, важны для сопряжения углеродного метаболизма и образования энергии. Примечательно, что OxlT не принимает в качестве субстратов оксалоацетат (C4H2O52-) или сукцинат (C4H4O42-), которые являются промежуточными соединениями дикарбоксилата цикла Кребса13. Эти дикарбоксилаты с четырьмя атомами углерода (дикарбоксилаты C4) являются важными промежуточными продуктами метаболизма на цитозольной стороне бактерий, а также всасываются в качестве источников энергии и предшественников биосинтеза через кишечный переносчик на стороне просвета хозяина14. Следовательно, способность OxlT различать дикарбоксилаты C2 и C4 имеет решающее значение для благоприятного симбиоза между животными-хозяевами и кишечными бактериями.