Structural basis for lipid and copper regulation of the ABC transporter MsbA.
Structural basis for lipid and copper regulation of the ABC transporter MsbA.
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DOI：
10.1038/s41467-022-34905-2
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发表时间：
2022-11-26
影响因子：
16.6
通讯作者：
Laganowsky, Arthur
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Lyu, Jixing;Liu, Chang;Zhang, Tianqi;Schrecke, Samantha;Elam, Nicklaus P.;Packianathan, Charles;Hochberg, Georg K. A.;Russell, David;Zhao, Minglei;Laganowsky, Arthur
脂多糖（LPS）生物发生的关键步骤包括将脂寡糖（LPS前体）从细胞质翻转到内膜的质周小叶，这是由atp结合盒转运体MsbA进行的操作。尽管LPS与MsbA内腔的结合已经建立，但MsbA与脂质在其他部位相互作用的选择性仍然知之甚少。在这里，我们使用天然质谱（MS）来表征msba -脂质相互作用并指导结构研究。我们发现转运体与铜（II）共纯化，金属结合调节蛋白质-脂质相互作用。介绍了MsbA与铜（II）配合物的n端区域的2.15 Å分辨率结构，揭示了高亲和力铜（II）螯合剂GHK肽的结构。我们的研究结果证明了构象依赖的脂质结合亲和性，特别是对于lps前体，3-脱氧-d -甘露-辛-2-乌糖酸（Kdo）2-脂质A （KDL）。我们报告了3.6 Å-resolution结构的MsbA与5 ' -二磷酸腺苷和钒酸盐被捕获在一个开放的，面向外的构象中，揭示了一个独特的KDL结合位点，其中脂质与转运体形成广泛的相互作用。其他研究表明，外部KDL结合位点是保守的，并且是atp酶活性的正变弹性调节剂，作为将转运体活性与LPS生物合成结合的前馈激活机制。细菌ABC转运体MsbA对脂多糖的生物生成至关重要。在这里，作者应用天然质谱，x射线晶体学，低温电镜和生化方法来表征MsbA结合铜和特定脂质的结构基础和功能作用。
A critical step in lipopolysaccharide (LPS) biogenesis involves flipping lipooligosaccharide, an LPS precursor, from the cytoplasmic to the periplasmic leaflet of the inner membrane, an operation carried out by the ATP-binding cassette transporter MsbA. Although LPS binding to the inner cavity of MsbA is well established, the selectivity of MsbA-lipid interactions at other site(s) remains poorly understood. Here we use native mass spectrometry (MS) to characterize MsbA-lipid interactions and guide structural studies. We show the transporter co-purifies with copper(II) and metal binding modulates protein-lipid interactions. A 2.15 Å resolution structure of an N-terminal region of MsbA in complex with copper(II) is presented, revealing a structure reminiscent of the GHK peptide, a high-affinity copper(II) chelator. Our results demonstrate conformation-dependent lipid binding affinities, particularly for the LPS-precursor, 3-deoxy-D-manno-oct-2-ulosonic acid (Kdo)2-lipid A (KDL). We report a 3.6 Å-resolution structure of MsbA trapped in an open, outward-facing conformation with adenosine 5’-diphosphate and vanadate, revealing a distinct KDL binding site, wherein the lipid forms extensive interactions with the transporter. Additional studies provide evidence that the exterior KDL binding site is conserved and a positive allosteric modulator of ATPase activity, serving as a feedforward activation mechanism to couple transporter activity with LPS biosynthesis. The bacterial ABC transporter MsbA is essential for lipopolysaccharide biogenesis. Here, the authors apply native mass spectrometry, X-ray crystallography, cryo-EM and biochemical approaches to characterize the structural basis and functional roles of MsbA binding to copper and specific lipids.
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