Asymmetric drug binding in an ATP-loaded inward-facing state of an ABC transporter

ATP结合盒运输机 翻转酶 跨膜结构域 运输机 环核苷酸结合域 ATP水解 流出 生物物理学 电子传输链 结合位点 三磷酸腺苷 化学 生物化学 基质(水族馆) 蛋白质结构 核苷酸 生物 ATP酶 基因 磷脂 磷脂酰丝氨酸 生态学
作者
Tarjani Thaker,Smriti Mishra,Wenchang Zhou,Michael J. Mohan,Qingyu Tang,José D. Faraldo‐Gómez,Hassane S. Mchaourab,Thomas Tomasiak
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:18 (2): 226-235 被引量:29
标识
DOI:10.1038/s41589-021-00936-x
摘要

Substrate efflux by ATP-binding cassette (ABC) transporters, which play a major role in multidrug resistance, entails the ATP-powered interconversion between transporter intermediates. Despite recent progress in structure elucidation, a number of intermediates have yet to be visualized and mechanistically interpreted. Here, we combine cryogenic-electron microscopy (cryo-EM), double electron–electron resonance spectroscopy and molecular dynamics simulations to profile a previously unobserved intermediate of BmrCD, a heterodimeric multidrug ABC exporter from Bacillus subtilis. In our cryo-EM structure, ATP-bound BmrCD adopts an inward-facing architecture featuring two molecules of the substrate Hoechst-33342 in a striking asymmetric head-to-tail arrangement. Deletion of the extracellular domain capping the substrate-binding chamber or mutation of Hoechst-coordinating residues abrogates cooperative stimulation of ATP hydrolysis. Together, our findings support a mechanistic role for symmetry mismatch between the nucleotide binding and the transmembrane domains in the conformational cycle of ABC transporters and is of notable importance for rational design of molecules for targeted ABC transporter inhibition. Cryo-EM analysis with DEER spectroscopy and molecular dynamics simulations of the ABC exporter BmrCD reveal dual-mode substrate binding in an ATP- and substrate-bound state.
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