Structure and Function of Bacterial CNNM Magnesium Transporters

细菌CNNM镁转运蛋白的结构和功能

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2020-07195
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.29万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2021
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2021-01-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Magnesium (Mg2+) is the most abundant divalent cation inside cells and essential for a wide variety of biochemical activities. Although there is not a large gradient of Mg2+ across the cell membrane, increasing evidence suggests that changes in intracellular Mg2+ modulate cell growth through the requirement of many enzymes and metabolic sensors for Mg2+. The importance of cellular Mg2+ homeostasis is manifest in the large number of Mg2+ transporters both in bacteria and eukaryotes. In humans, hereditary diseases of magnesium uptake or deposition arise from mutations in transient receptor potential melastatin type 6 (TRPM6), Mg2+ transporter 1 (MagT1), solute carrier family 41 members (Slc41a1-3), claudin 16, and CNNMs. In bacteria, crystal structures for the Mg2+ transporters MgtE and CorA have revealed the mechanisms for ion selectivity and gating. The CNNM proteins are of particular interest as they are conserved across both eukaryotes and prokaryotes and play essential roles in Mg2+ homeostasis. The CNNM family is defined by a conserved transmembrane domain (DUF21 -- domain of unknown function 21) and a cytosolic cystathionine beta--synthase (CBS) pair domain. While associated with Mg2+ transport, it is unknown if CNNM proteins are themselves Mg2+ transporters or if they regulate transport by other proteins. In humans, mutations in CNNM proteins cause a variety of diseases related to Mg2+ and Ca2+ uptake or deposition. In lower eukaryotes and bacteria, mutations in CNNM proteins lead to resistance to metal toxicity and defects in Mg2+ transport. Our group has determined multiple structures of CNNM cytosolic domains and shown that they undergo a large conformational change upon Mg2+·ATP binding. Here, we propose to determine the structural basis of bacterial CNNM protein function and regulation. We have two aims: 1. Structural studies. We have cloned and expressed DUF21--containing proteins from over 20 species. Several proteins are well expressed and crystallize under multiple conditions. We have also used negative stain electron microscopy (EM) to study one bacterial protein. We will determine the structure of a CNNM bacterial ortholog by either EM or X--ray crystallography. 2. Functional studies. We will characterize the function and conformational changes of CNNM proteins using biophysical methods and functional assays. These studies will address the question of whether DUF21 domains directly or indirectly mediate ion transport and reveal how their cytosolic domains regulate their function. The DUF21 domain of CNNM proteins is the largest family of domains of unknown function and there are no known structures. There are well over 50,000 CNNM orthologs known in plants, animals and bacteria yet we do not understand their precise biochemical function. The work proposed will advance our understanding of the function of the CNNM proteins in divalent cation transport and their regulation by Mg2+·ATP binding.
镁 (Mg2+) 是细胞内最丰富的二价阳离子,对多种生化活动至关重要。尽管细胞膜上的 Mg2+ 梯度并不大,但越来越多的证据表明,细胞内 Mg2+ 的变化可通过需求调节细胞生长。许多酶和代谢传感器的 Mg2+ 细胞 Mg2+ 稳态的重要性体现在细菌和真核生物中的大量 Mg2+ 转运蛋白中。镁吸收或沉积的遗传性疾病是由细菌、晶体结构中瞬时受体电位褪黑素 6 (TRPM6)、Mg2+ 转运蛋白 1 (MagT1)、溶质载体家族 41 成员 (Slc41a1-3)、密蛋白 16 和 CNNM 的突变引起的。对于 Mg2+ 转运蛋白 MgtE 和 CorA 揭示了离子选择性和门控的机制 CNNM 蛋白特别令人感兴趣,因为它们。在真核生物和原核生物中都是保守的,并在 Mg2+ 稳态中发挥重要作用。 CNNM 家族由保守的跨膜结构域(DUF21 - 功能未知的结构域 21)和胞质胱硫醚 β-合酶 (CBS) 对结构域定义。与 Mg2+ 转运相关,目前尚不清楚 CNNM 蛋白本身是否是 Mg2+ 转运蛋白,或者它们是否通过其他蛋白质调节转运。 CNNM 蛋白引起多种与 Mg2+ 和 Ca2+ 吸收或沉积相关的疾病,在低等真核生物和细菌中,CNNM 蛋白的突变导致对金属毒性的抵抗和 Mg2+ 转运的缺陷,并显示了 CNNM 胞质结构域的多种结构。在此,我们建议确定细菌 CNNM 蛋白功能和调节的结构基础: 1.结构研究。我们已经克隆并表达了来自 20 多个物种的含有 DUF21 的蛋白质。我们还使用负染色电子显微镜 (EM) 来研究一种细菌蛋白质。通过 EM 或 X 射线晶体学分析 CNNM 细菌直系同源物的结构。 2. 功能研究 我们将使用生物物理方法和功能测定来表征 CNNM 蛋白质的功能和构象变化。研究将解决 DUF21 结构域是否直接或间接介导离子转运的问题,并揭示其胞质结构域如何调节其功能。CNNM 蛋白的 DUF21 结构域是功能未知的最大结构域家族,并且尚无已知的结构。在植物、动物和细菌中已知超过 50,000 个 CNNM 直系同源物,但我们尚不了解它们的精确生化功能,这项工作将增进我们对二价阳离子中 CNNM 蛋白功能的理解。转运及其通过 Mg2+·ATP 结合的调节。

项目成果

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