ABC转运卵白算作最大最陈腐的膜卵白眷属之一普通存在于多样生物体中。由于它或者应用ATP水解产生的能量进而将与其联结的诸如烷烃、氨基酸、抗生素等多样物资进行跨膜转运，是以不管在原核生物如故高档动植物中，ABC转运卵白均阐明着迫切的生理作用。早在20世纪70年代，在细菌对养分物资摄取的研讨中初次发现了这类转运卵白[1]。随后，由于其可将外源物资以逆浓度梯度的形态排出细胞外所产生的多药耐药性(Multidrug resistance，MDR)而被医学职责者在临床诊治规模进行了更进一步的研讨[2]。现时，研讨发现的ABC转运卵白照旧卓绝了100种白石茉莉奈第二部，并被阐明在各个规模(如生物燃料、生物医药等)中均阐明着迫切作用[3]。

1 ABC转运卵白 1.1 ABC转运卵白的研讨程度

20世纪70年代，ABC转运卵白初次出现于细菌对养分要素摄取的研讨中，研讨发现该卵白依赖于ATP水解平直激励底物与联结卵白(Substrate-binding protein，SBP)联结，进而达到转运的目标[1]。20世纪80年代早期，研讨东谈主员克隆了几个编码这种转运卵白的基因，其中包括编码鼠伤寒头陀氏菌Salmonella typhimurium组氨酸浸透酶和大肠杆菌Escherichia coli麦芽糖浸透酶的基因。他们在这些卵白的氨基酸序列间发现了较强的同源性，并不雅察到这些卵白的转运无意也会依赖于联结卵白与转运底物的联结[4-5]。与此同期，医学研讨者也选藏到了P-糖卵白(Permeability- glycoprotein，P-gp)在临床诊治上的影响，恰是源于它的存在使细胞具有药物抗性[6]。1985年，研讨东谈主员告捷克隆了不同来源编码这类卵白的基因，并通过表征发现了其显贵的保守性特征[7]。研讨东谈主员应用cDNA揭示了哺乳动物转运卵白和细菌转运卵白之间的保守性体当今高度保守的核苷酸联结区域(Nucleotide-binding domains，NBDs)[8]，这也揭示了这些ABC转运卵白可能具有共同的进化发源(进化关系如图 1所示)。1986年，东谈主们鉴识了这些ATP联结的亚基，并依据这些亚基界说了这一瞥运卵白超等眷属[9-12]。然而，直到1990年这些卵白才被认真定名为ABC转运卵白[13]。其可应用ATP水解产生的能量将与其联结的物资逆浓度地排出胞外的功能赋予了细胞多药耐药性，因此在肿瘤诊治关联规模中受到了研讨者的普通温雅[2]。近些年来，跟着生物时刻的不休发展，对于ABC转运卵白的研讨也徐徐深切，科学家们应用其独到的转运功能将它普通应用于生物医药、生物燃料、微生物工业坐蓐等规模中[14]。ABC转运卵白的研讨程度时间线见表 1。

1.2 ABC转运卵白的结构与分类原则

近些年来，研讨东谈主员通过基因组测序笃定了一些编码ABC转运卵白的基因。况兼，跟着生物大分子结构解析时刻的不休跳跃，几种ABC转运卵白的晶体结构也已被告捷解析，举例：金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus的Sav1866多药向外转运卵白、能干古生球菌Archaeoglobus fulgidus的ModBC-A MoO4/WO4向内转运卵白以及大肠杆菌的BtuCD维他命B12向内转运卵白等[30]。基于这些已被解析明晰的晶体结构，研讨者笃定了ABC转运卵白的基础结构，其中枢是两个核苷酸联结域和两个跨膜结构域(Transmembrane domains，TMDs)。此外，一些ABC转运卵白频繁还带有其他的辅助结构域(图 2)。这些结构域在原核生物中表现为单个亚基并通过将这些亚基拼装到沿路的形态阐明作用；而在真核生物中，它们则被抒发为全转运子“full-transporters” (含有两个核苷酸联结域和两个跨膜结构域)或半转运子“half-transporters” (只含一个核苷酸联结域和一个跨膜结构域)[31]。

研讨发现，ABC转运卵白的跨膜转运流程依赖于保守的耦联机制[32]。核苷酸联结域算作ABC转运卵白眷属的保守结构域，或者促使跨膜结构域阐明作用。它又包含了两个亚结构域，其中一个是结构访佛于RecA的亚结构域，另一个则被称为“螺旋亚结构域”。而在核苷酸联结域中存在的一些保守序列基序具有特定的功能，其中最迫切的即是位于类RecA亚结构域的P环(Walker-A motifs)和位于螺旋亚结构域的LSGGQ基序(氨基酸序列)。在系数运载流程中，两个核苷酸联结域拼装在沿路，使这些保守基序以首尾承接的形态泄露。首尾承接的摆设形态会在一个核苷酸联结域的P环和另一个核苷酸联结域间产生两个ATP联结和水解位点。在莫得ATP联结的情况下，核苷酸联结域间的接口存在症结，水或者插足ATP联结位点。ATP联结后，接口关闭，使ATP被夹在核苷酸联结域之间。研讨东谈主员通过研讨几种ABC转运卵白转运流程中共有的ATP水解反馈发现，一次转运流程会奢靡两分子的ATP[33]。

关联ABC转运卵白的分类原则，现时最常见的是凭据真核ABC转运卵白结构域的同源性和卵白系统进化关系，将其简略分为7个亚族(A–G)[2]，但也有东谈主以为不错分为8个亚族(A–H，H族为暂无归类的ABC转运卵白)[14]。亦有报谈将这些亚族分手定名为多药耐药性卵白、多向耐药性卵白(Pleiotropic drug resistance，PDR)、多药耐药性关联卵白(Multidrug resistance-associated protein，MRP)、肾上腺脑白质养分不良卵白(Adrenoleukodystrophy protein，ALDp)、延迟因子3 (Elongation factor-3，EF-3)以及RNase L阻碍因子(RNase L inhibitor，RLI)等[34-35]。其他分类模范包括：凭据功能区域和亚基摆设形态的不同，将ABC转运卵白分为由一个或两个“核苷酸联结域-跨膜结构域”体式存在的颓唐肽链和4个功能区域羼杂在沿路形成的完好肽链两大类；以及凭据核苷酸联结域和跨膜结构域数目的不同，将ABC转运卵白分为全转运子和半转运子[36]。值得选藏的是，半转运子只消与另一个半转运子形成同源或异源的二聚体时才气阐明转运作用[21]。

1.3 ABC转运卵白的转运机制与生理功能

ABC转运卵白参与生物体中多种迫切的转运流程，其转运功能需要核苷酸联结域和跨膜结构域的共同参与。ABC转运卵白眷属的转运功能分为向外和向内两种转运形态。研讨东谈主员[37]详确表现了ABC转运卵白转运流程中依靠构象改变的转运机制。如图 3A所示，在向内转运流程中，起头，ABC转运卵白处于向内构象(Inwardly- facing conformation)的“休息景况”，此时两个核苷酸联结域在跨膜结构域的带动下保捏通达景况。当底物插足转运卵白时，ATP与核苷酸联结域联结，跨膜结构域构象改变以从联结卵白中给与底物，此时ABC转运卵白变为向外构象(Outward- facing conformation)。随后，ATP水解成ADP和磷酸基团(Pi)，核苷酸联结域二聚体大开，底物被开释到细胞质中，ABC转运卵白再次回到“休息景况”。

而向外转运流程，如图 3B所示，转运起头从底物与ABC转运卵白的联结入手，此时转运卵白依然是向内构象的，但核苷酸联结域是大开的。随后ATP与核苷酸联结域联结并使其关闭，转运卵白变为向外构象使底物泄露并被开释到细胞外。终末，ATP水解，核苷酸联结域再次大开，ABC转运卵白复原到启动构象。由此便完成了应用ATP水解产生的能量使底物从膜的一侧向另一侧的转运流程。另外有报谈[38]从结构层面更为致密地解析了ABC转运卵白的转运机制。仅以向外转运卵白为例，在向外转运的流程中，底物分子由核苷酸联结域传递到跨膜结构域。跨膜结构域中存在一些结构保守的α螺旋，这些α螺旋会像通谈相通耦合在沿路，进而与核苷酸联结域中两个亚结构域的范围形成凹槽并相互作用。当ATP联结时，核苷酸联结域接口关闭，使耦合螺旋愈加紧密，从而导致跨膜结构域从内向外翻转。ABC转运卵白应用这一机制，将跨膜结构域中的联结和外排位点泄露在膜的另一侧白石茉莉奈第二部，从而使底物单向迁移通过磷脂双分子层。

ABC转运卵白或者已毕多种物资的跨膜运载，因此不管在原核生物如故真核生物中皆阐明着迫切的生理功能。一些向内转运卵白不错促进氨基酸、糖类等养分物资从胞外环境中转运插足胞内基质，从而促进细胞滋长。当先科研职责者是在研讨细菌对养分物资的摄取中发现了向内转运卵白[1]，况兼在而后很长一段时间内，东谈主们大宗以为向内转运卵白只存在于原核生物中。直到2003年，植物中ABC向内转运卵白的发现才改变了这一不雅点[14]。因此，向内转运卵白不仅存在于原核生物中也存在于真核生物中。而向外转运卵白同向内转运卵白相通，共同存在于原核生物和真核生物中，它们具有“排毒”的功能，可将抗生素、脂肪酸等不利于细胞滋长的物资排出胞外，有助于在细胞内将非必需的外源物资或次级代谢家具保捏在较低的浓度范围，进而减轻了细胞的滋长压力，保管了细胞的正常滋长，极地面提高了细胞的存活率。ABC转运卵白其他的生理功能还包括：参与真核生物中的信号转导、卵白质的分泌以及抗原递呈等[3]。基于这些生理功能，科学家们受到了启发，使得ABC转运卵白在各个规模中均取得了普通的应用。

2 ABC转运卵白在合成生物学中的应用

诸如pH值、温度、浸透压、有毒代谢家具等压力要求会对细胞滋长产生不利影响并浪漫代谢家具的产生。因此，在外界压力要求下保管细胞正常滋长和提高目标家具产量是微生物工业坐蓐中最迫切的目标。而细胞膜算作将细胞质与外界环境分离隔的细胞保护樊篱[39-40]，其在压力要求下的踏实性和膜脂质与膜卵白的相互作用极地面影响了工业菌株的性能[41-43]。天然由于工业菌株代谢的复杂性，改变膜功能以提高其底物耐受性并不会势必导致目标家具产量的增多[44]，但也有一些代谢家具与膜功能之间存在邃密的耦合关系[45-46]，增强坐蓐这些物资的工业菌株的鲁棒性将会提高目标家具的产量。因此，疏导微生物膜功能以保管膜内稳态可能是一种提高微生物在工业坐蓐中坐蓐成果的有用模范。研讨标明[47]，不错通过增强膜的完好性、疏导膜的流动性和疏导膜的通透性来保管膜的稳态。依靠合成生物学的认识和时刻，并联结基因工程和代谢工程，研讨者们建树出了越来越多的政策以达到这一目标。其中，疏导膜的通透性是指通过疏导离子、养分物资和有毒物资的跨膜运载来疏导细胞膜对它们的选用透过性。现时主要有3种疏导膜通透性的政策：(1)疏导脂质介导的膜通透性[48]；(2)调控膜卵白功能[49-51]；(3)调控细胞膜内能量系统[52-53]。而ABC转运卵白，算作一种应用细胞质中ATP水解产生的能量进而调控物资出膜/入膜的膜通谈卵白，或者在膜卵白功能和细胞膜内能量系统两方面产生影响，因此不错对其进行修饰以疏导膜的通透性。研讨标明[47]，这一政策具有不错同期改善菌株滋长、提高底物应用率和菌株坐蓐力的后劲。

2.1 ABC转运卵白用于改善工业菌株性能

细胞膜的通透性主要体当今离子、养分物资和有毒物资通过膜孔或膜卵白插足或离开细胞。据关联膜卵白和膜通透性的研讨指出，不错通过调控膜卵白功能来疏导膜的通透性[49-51]。而膜卵白ABC转运卵白不错像“泵”相通，将物资“泵入”或“泵出”细胞，是已毕这一政策较优的研讨对象。工程化的ABC转运卵白可在微生物工业坐蓐顶用于改善工业菌株的性能，增强菌株耐受性并提高目标家具产量。

应用微生物合成游离的脂肪酸使得将可再生糖更正为油脂化学品具有邃密的应用出息。然而，大肠杆菌算作这一阶梯的主要宿主，游离脂肪酸的产生会对其细胞膜的完好性和细胞滋长产生负面影响。在访佛于抗生素等滋长选用性压力要求下，合成游离脂肪酸的大肠杆菌会在传代流程中被淘汰，以此来不容游离脂肪酸形成的这种负面影响，这也导致了工业坐蓐中的遗传不踏实性[44]。而大肠杆菌内源的ABC转运卵白AcrB与周质交融卵白AcrA和膜通谈卵白TolC协同职责，形成一个跨膜复合物AcrAB-TolC (图 4)，复合物联结细胞膜并跨越周质形成桥，有助于游离脂肪酸的外排[54]。

Dunlop等[25]在大肠杆菌均分手抒发了43个异源ABC转运卵白，并给与一种基于竞争机制的筛选政策，在分手外加7种物资的要求下进行培养。除了两种化合物(正丁醇和异戊醇)莫得筛选到不错提高耐受的转运卵白外，其余5种均筛选到了对应的最优转运卵白。随后，他们又在柠檬烯坐蓐菌株中抒发了其中一种筛选出来的泊库岛食烷菌Alcanivorax borkumensis来源的转运卵白(这一瞥运卵白在那时还莫得被表征，自后被阐明为ABC转运卵白AcrB)，最终使柠檬烯的耐受性提高了8%，产量提高了近60%。这一收尾标明，ABC转运卵白不错在增强坐蓐菌株耐受性的同期提高目标家具产量。Chen等[55]也通过在酿酒酵母中抒发异源的ABC转运卵白(解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica来源)发现，通过把细胞内癸烷和十一烷的浓度保管在较低水平的形态，ABC转运卵白显贵提高了酿酒酵母对于癸烷和十一烷的耐受性。

小色哥奇米

除了不错通过引入异源ABC转运卵白来改善工业菌株的性能，过抒发内源的ABC转运卵白也不错达到这一目标。有研讨发现，在酿酒酵母中，pdr18基因编码的ABC转运卵白不错疏导细胞质膜的通透性，影响胞内的酒精浓度。研讨东谈主员应用强启动子上调了pdr18的抒发，使酒精产量提高了6%，产率提高了17%[56]。因此，通过在酒精发酵中增强酿酒酵母的酒精耐受性和阻碍质膜的浸透智商，pdr18基因的过抒发或者有用改善工业菌株的发酵性能。Nishida等构建了一株pdr1突变的酿酒酵母KK-211，该酿酒酵母中内源的4个ABC转运卵白(Snq2、Yor1、Pdr10、Pdr15)的抒发水平被上调。对这4个卵白的功能进行研讨，标明Pdr10和Snq2负责调控疏水性有机溶剂正癸烷和正十一烷的耐受性，而Snq2和Yor1则负责调控酿酒酵母对亲水性有机溶剂的耐受性[57]。后续的应用研讨收尾自满，比较于野生型酿酒酵母，过抒发内源ABC转运卵白Snq2昭着提高了菌株对于外源癸烷的耐受性并促进了菌株滋长[58]；过抒发内源ABC转运卵白Yor1有助于酿酒酵母顽抗多种抗生素[24]。

2.2 基于ABC转运卵白的负反馈调控系统

任何膜卵白的过抒发频繁皆会阻碍细胞的正常滋长，ABC转运卵白也不例外。因此，为了均衡过抒发ABC转运卵白促进细胞毒素外排的同期又增多了细胞负荷所产生的正负影响，Boyarskiy等[29]在大肠杆菌中建树了一种自动反馈调控系统，调控机理见图 5。该系统应用了大肠杆菌本源的应激启动子PgntK来负反馈调控转运卵白的抒发水平。将这一负反馈调控系统导入大肠杆菌DH10B中，该系统可自主调控正丁醇ABC转运卵白突变体AcrBv2的抒发水平，从而减轻了由于ABC转运卵白过抒发所形成的细胞包袱，同期也促进了正丁醇的外排。最终，应用这一负反馈调控系统，Boyarskiy等将大肠杆菌的正丁醇耐受性提高了40%，产量提高了35%。因此，自动反馈调控系统在阐明ABC转运卵白解毒作用的同期又幸免了由于其过抒发所导致的细胞毒性，为改善菌株的滋长和坐蓐提供了一种两全其好意思的技能。

2.3 ABC转运卵白在疏导胞内能量系统方面的应用

ATP算作细胞中最迫切的能量来源，可通过改变其在细胞中的含量来疏导微生物细胞内的能量系统。有报谈称[59]，ABC转运卵白能应用ATP水解产生的能量将脂质从质体更正到内质网上，这有助于保管细胞膜脂质含量的踏实。况兼通过参与细胞内膜和外膜的脂质翻转，ABC转运卵白不错疏导膜脂质的分歧称性，进而疏导细胞膜的通透性[60]。此外，物资不错借助ABC转运卵白将其转运活性与ATP水解耦联，从而完成逆浓度梯度的转运(应用实例见图 6)。因此，通过ABC转运卵白调控ATP在胞内的含量也被以为是一种疏导细胞膜对底物透过性的有用政策。

革兰氏阴性菌细胞名义含有脂多糖。脂多糖是一种含有多个脂肪酰基链的大型糖脂类物资，组成细胞膜外侧的疏水区，恰是由于它的存在使细胞膜不错算作樊篱，梗阻大部分抗生素插足细胞中。Sherman等[26]通过使在脂多糖装置流程中负责将其转运的ABC转运卵白失活，并应用生化践诺联结ABC转运卵白在ATP水解前后的高分辨率晶体结构进行表征，最终发现了在大肠杆菌中关联ABC转运卵白的失活会减缓ATP水解，从而裁减了脂多糖从膜内向膜外的运载成果，使细胞膜对抗生素的不容作用减轻。与此访佛，May等[52]使用一种对于荣达霉素(Novobiocin)敏锐的细胞膜残障型大肠杆菌筛选到一株对荣达霉素抗性增强的突变体。对这一突变体进行研讨发现，抗性增强是由于细胞内负责脂多糖转运的ATP酶，即ABC转运卵白首生了改变。共晶体结构、生化和遗传数据标明，荣达霉素会与这种ATP酶平直联结，但它并不联结在核苷酸联结域上，而是联结在核苷酸联结域与跨膜结构域之间的接口。这种相互作用增强了负责转运脂多糖的ABC转运卵白的活性，进而改变了细胞膜的通透性。这一发现存助于东谈主们认识ATP水解与脂多糖转运之间的关系。此外，Causey等[61]发现，在大肠杆菌中同期缺失包括ABC转运卵白在内的一些与ATP产生关联的膜卵白和其他与丙酮酸氧化关联的卵白，导致了细胞膜对于葡萄糖的透过性增多，从而促进了葡萄糖的积蓄，同期裁减了胞内ATP的含量，减轻了丙酮酸到乙酸的代谢，最终使丙酮酸的产量增多了2.1倍。这些实例阐明了，ABC转运卵白具有通过疏导细胞内能量系统来改善菌株性能的出息。

2.4 其他

除上述应用外，ABC转运卵白还因其可将肿瘤诊治药物从肿瘤细胞中排出胞外，而被算作多药耐药性阻碍靶点被应用在肿瘤临床诊治中[2]；在新动力建树方面，工程化的ABC转运卵白可增强微生物对于生物燃料的耐受性，对于提高生物燃料的产量具有邃密的应用出息[62]；ABC转运卵白还不错提高植物和真菌的重金属耐烦，因此在环境保护和改善环境方面也取得了相应的应用[36， 63]。此外，ABC转运卵白还被应用于植物援手、药理研讨以及农药研发等的职责中[3， 64]，在此不再逐一赘述。

3 回首与预测

近些年来，跟着ABC转运卵白的关联研讨徐徐增多，其结构信息和作用机制也越来越清楚，这大大加深了研讨者们对ABC转运卵白构效关系的认识，丰富了ABC转运卵白在各个规模中的应用后劲。如今，ABC转运卵白不再仅仅算作裁减恶性肿瘤耐药性的靶点而被应用在生物医学和毒理学规模的研讨中。在微生物工业坐蓐中，若何应用工程化的ABC转运卵白，来提高工业菌株的特定性能，进而提高目标家具产量等的研讨也受到研讨者们越来越普通的温雅。但比较于ABC转运卵白的高大眷属，现时的研讨如故远远不够的。关联ABC转运卵白底物的研讨有待补充，比如一种转运卵白是否具有底物特异性白石茉莉奈第二部，是否不错同期转运多种不同的底物。此外，关联ABC转运卵白的东谈主工筹算更正也相对较少。若何通过一些时刻技能更正ABC转运卵白以提高它的转运成果，若何增强它的底物转运特异性从云尔毕ABC转运卵白的“定制化”还有待关联科研职责者们的进一步勤快。跟着生物时刻的快速发展和合成生物学的兴起，将会有越来越多新的政策和新的时刻用来研讨ABC转运卵白和扩张其应用。ABC转运卵白也将在合成生物学规模阐明越来越迫切的作用。