結構生物化學/膜蛋白/拓撲結構
眾所周知，膜蛋白必須以特定的拓撲結構插入脂雙層中，即在脂雙層中處於特定的方向，才能正常發揮功能。然而，來自希蒙·舒爾迪納（Shimon Schuldiner）實驗的最新證據透過研究 EmrE 對這一傳統觀點提出了挑戰。EmrE 是一種來自大腸桿菌的小型同二聚體多藥轉運蛋白，它將帶正電荷的芳香族藥物轉運出去，同時吸收兩個質子。[1]
需要注意的是，二聚體膜蛋白可以存在於平行或反平行方向。在 EmrE 的特定情況下，平行方向可以被視為 N 端和 C 端位於同一側；反平行方向可以被視為 N 端位於一側，C 端位於另一側。[1]
雖然眾所周知，諸如受體之類的蛋白質必須以一種特定方式定向，但 EmrE 可能並非如此。過去對 EmrE 的實驗表明，即使 EmrE 可以以平行拓撲結構存在，只有反平行拓撲結構才能誘導正常功能。然而，這些實驗中的每一個都可能存在某些條件，值得提出反駁意見。
在一個實驗中，科學家們建立了一個 EmrE 反平行拓撲結構的 3D 人工模型。然後，他們使用了一個天然 EmrE 的真實反平行 3D 模型，並將兩者進行比較，得出結論認為兩者相似，從而證明了 EmrE 符合反平行拓撲結構。[1] 雖然證據令人信服，但結構的解析度非常低，因此相似性更容易“識別”。此外，用於反平行模型的晶體來自存在於抑制蛋白功能的去汙劑中的蛋白質。這意味著，3D 模型的建立方式是基於晶體形成所需的最低能量，而不是 EmrE 在自然界中存在的真實方式。
在另一個實驗中，EmrE 與不會影響 EmrE 功能的綠色熒光蛋白融合。然而，在對蛋白質中正電荷進行操縱後，產生了平行突變體 EmrE 蛋白。這些突變被證明對綠色熒光蛋白具有抗性，這導致了這樣一種結論：這是由於拓撲結構發生了改變。為了進一步支援這一結論，突變體 EmrE 蛋白與天然 EmrE 共表達，並在一代內恢復了正常功能。[1] 該實驗的一個問題是，研究人員假設平行突變體是無活性的。事實上，舒爾迪納[1]進行的進一步實驗表明，平行突變體 EmrE 蛋白具有持續的生長能力。此外，突變體平行蛋白質的失活可以用受損的二聚化來解釋——如果蛋白質由於突變而無法正確形成，那麼它的功能將不會正常。這個想法獨立於拓撲結構。
進行了兩個實驗來證明 EmrE 即使以平行拓撲結構也能正常發揮功能的能力。在一個實驗中，在蛋白質的末端產生了獨特的半胱氨酸。交聯劑（或能與其他類似分子形成共價鍵的分子）在 9 到 11 埃的距離內形成。[1] 之前的研究已經確定，在反平行拓撲結構中，半胱氨酸殘基必須至少相隔 35 到 40 埃。為了鞏固這一證據，對其他環中交聯的蛋白質進行了重複實驗，結果相似，表明它們是功能完備的 EmrE 蛋白。
在另一個實驗中，[1] 一個原體的 C 端透過一個非常短的親水連線體人工融合到另一個原體的 N 端，確保兩個原體的末端位於膜的同一側（因此是平行的）。這些人工合成的蛋白質也被證明具有完全的功能。
另一項研究表明，像 EmrE 這樣的平行同二聚體和像枯草芽孢桿菌的 EbrAB 這樣的反平行異二聚體，無論它們的拓撲結構如何，都執行相同的功能。事實上，觀察到 EbrB 能夠形成平行同二聚體並以相同的方式發揮作用。這對 EmrE 具有非常重要的意義。因為 EbrAB 和 EmrE 是密切相關的蛋白質，EmrE 也可能具有類似的“混雜性”，即它可以在平行和反平行拓撲結構中都發揮功能。
已經證明，EmrE 存在於平行拓撲結構中，並且可以正常發揮功能。此外，它可以存在於反平行拓撲結構中，並且功能一樣好。一個可能的機制[1]是，活性位點在兩種拓撲結構中都是保守的。這個活性位點被 H+ 或底物佔據，具體取決於改變 pKa 的兩個穀氨酸殘基。這反過來證明了拓撲結構是由驅動力方向決定的，主要是 H+ 或底物。
雖然應該注意的是，這些證據來自一種蛋白質，但這些發現的意義是顯而易見的。應該注意的是，EmrE 是一種小型膜蛋白，能夠進化成更復雜的膜蛋白。如果一種蛋白質可以以不同的形式存在，這些形式由其功能決定，那麼結構決定功能的傳統觀念可能會受到挑戰。相反，功能可能決定結構。