细胞的正常功能和新陈代谢依赖于能量的持续供应。在真核细胞中，线粒体膜上的ATP/ADP转运器负责将ATP输出至细胞质以供细胞活动所需，并将ADP输入线粒体进行ATP再生。然而，细胞内寄生虫
（如沙眼衣原体、肺炎衣原体等）
由于自身能量代谢能力受损，无法独立合成足够的ATP，因此依赖宿主细胞提供的ATP来维持生存。这些寄生虫在其细胞膜上具有独特的ATP/ADP转运器，能够将宿主细胞中的ATP输入自身细胞，并将ADP输出至宿主细胞，从而实现能量的获取，这种现象被称为“能量寄生”。与专性细胞内寄生虫类似，植物和藻类的质体也含有类似的ATP/ADP易位子，它们通过介导ATP进入质体和ADP从质体输出，为质体内的淀粉和脂肪酸合成等代谢过程提供能量。由于这种类型的ATP/ADP转运体在人类细胞中缺乏同源物，且对专性细胞内寄生虫的生存具有关键作用，因此被认为是一种极具潜力的药物靶标。尽管质体/寄生虫型ATP/ADP转运体在致病性、进化以及合成生物学中具有重要意义，但其底物识别和转运的分子机制并不明确。
近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心
范敏锐
研究员、西湖大学生命科学学院
吴旭冬
研究员、复旦大学
张金儒
研究员和浙江大学
苏楠楠
研究员为共同通讯作者在
《Nature》
杂志上发表了题为
“Structure and mechanism of the plastid/parasite ATP/ADP translocator”
的研究，报道了拟南芥叶绿体ATP/ADP转运蛋白
（AtNTT1）
和肺炎衣原体ATP/ADP转运蛋白
（CpNTT1）
的高分辨率结构
（2.7–2.9 Å）
，包括apo状态、ATP结合和ADP/磷酸结合状态，显示出外向和内向不同构象，阐明了其结合和转运机制，这项研究为理解能量转移和核苷酸跨膜运输提供了重要的见解。
研究者通过冷冻电镜技术，首次捕获了
拟南芥质体ATP/ADP转运蛋白
（AtNTT1）
的三种关键构象
：Apo状态
（外向开放）
：结构中心形成宽大的空腔。ATP结合状态
（内向部分开放）
：ATP的磷酸尾部与多个带正电荷残基结合,关闭外侧门控，部分打开内侧通道。ADP/Pi结合状态
（内向部分开放）
：ADP的β-磷酸折叠构象与ATP不同，且伴磷酸根
（Pi）
的协同结合，进一步缩小空腔，确保电荷平衡。
图1 拟南芥质体ATP/ADP转运蛋白（AtNTT1）的三种关键构象
拟南芥质体ATP/ADP转运蛋白与底物ATP和ADP/Pi的结合模式如图2所示，ATP结合于N端与C端结构域界面形成的囊腔中，其磷酸尾部通过静电作用与保守正电荷残基
（R134、K137、K156、K390、K489、K528）
结合，其中R134的胍基与ATP的三个磷酸基团直接作用
（2a-c）
。腺嘌呤部分通过π-π堆积
（Y493）
和疏水作用
（F123、L127、Y130、L285）
固定，核糖部分与V253和S254形成氢键。突变上述残基
（如R134K、Y493A）
导致ATP/ADP交换活性显著降低或完全丧失（图2g）。ADP的α、β磷酸基团呈折叠构象，与ATP的线性构象不同，但其磷酸尾部仍与相同正电荷残基结合。磷酸离子
（Pi）
位于ADP β-磷酸下方，与K528等残基相互作用（图2d-f）。磷酸的存在使ADP结合亲和力提高9倍
（Kd从11.9 μM降至1.3 μM）
，表明ADP与Pi的结合具有协同性。ATP单独或与Pi共存时未表现类似效应，凸显ADP转运依赖Pi共转运的特性（图2h-i）。此外，实验证明N282残基是维持ATP/ADP特异性的“分子开关”。
进一步解析了肺炎衣原体ATP/ADP转运蛋白
（CpNTT1）
的结构，通过与植物来源的AtNTT1对比，揭示了其底物结合模式、构象变化及进化保守性。apo状态
（向外开放构象）
（图3a,c）：CpNTT1呈现典型的MFS
（Major Facilitator Superfamily）
折叠，含12个跨膜螺旋
（TM1-TM12）
，分为N端结构域
（TM1-TM6）
和C端结构域
（TM7-TM12）
。底物结合腔面向细菌周质侧
（向外开放）
，腔内正电荷残基
（如K67、K309）
富集，利于结合带负电的ATP/ADP。ATP结合状态
（向内开放构象）
（图3b,d,f,g）：ATP结合诱导C端结构域向细胞质侧旋转，形成向内开放的构象，底物结合腔转向胞质侧。ATP的磷酸尾部被保守的正电荷残基
（如K67、R45）
稳定，但腺嘌呤与周围残基
（如Y413）
的π-π相互作用较弱，可能与底物释放前的预释放状态相关。CpNTT1的ATP结合位点与AtNTT1类似，但腺嘌呤结合口袋的构象更松散，如CpNTT1的N193
（对应AtNTT1的N282）
未与ATP形成氢键。从进化角度，质体ATP/ADP转运蛋白可能起源于衣原体祖先基因的水平转移
（内共生事件）
，结构相似性支持这一假说。
图3 肺炎衣原体ATP/ADP转运蛋白（CpNTT1）的结构与功能特征
那么ATP或ADP/Pi结合如何诱导NTT1在外向和内向构象之间转变呢？AtNTT1结构分析发现，在N和C结构域之间存在一个天冬氨酸-赖氨酸对
（TM1的D138和TM7的K390）
，在向外开放的构象中彼此相隔13.8 Å，而在向内的构象中形成一个盐桥
（距离3.4 Å）
（图4e，f），用丙氨酸取代D138或K390严重损害了AtNTT1的转运活性（图4），对CpNTT1也获得了类似的结果，支持天冬氨酸-赖氨酸对在构象转变中的重要作用。N和C结构域主要作为刚体移动，伴随着一些TMs的轻微旋转，这与MFS转运体的摇杆开关交替进入机制一致。
通过冷冻电镜解析了植物叶绿体与寄生虫ATP/ADP转运蛋白
（AtNTT1/CpNTT1）
的高分辨率结构，揭示其通过N/C端结构域旋转的“摇动开关”机制实现底物转运。关键残基
（如R134、Y493）
通过电荷与π-π作用识别ATP/ADP，保守天冬酰胺
（N282）
控制底物特异性，突变后可转运GTP/CTP。磷酸协同增强ADP结合，盐桥
（如D138-K390）
驱动构象变化。该研究阐明了能量寄生与内共生的分子基础，为抗寄生虫药物设计和合成生物学应用提供了关键依据。
供稿 | 张江涛
责编 | 囡囡
设计 / 排版 | 可洲
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