Abstract The mechanistic basis of transport promiscuity in multidrug exporters is not well understood. We examine this question using the Small Multidrug Resistance (SMR) transporters. We engineer a selective SMR protein to promiscuously export quaternary ammonium antiseptics, similar to multidrug exporters in this family. Using combinatorial mutagenesis and deep sequencing, we identify the necessary and sufficient molecular determinants of this new activity. Using x-ray crystallography, electrophysiology, and a novel proteoliposome-based antiseptic transport assay, we tease apart the mechanistic roles that these residues play in transport polyspecificity. We find that substrate preference changes not through modification of the residues that directly interact with the substrate, but through mutations peripheral to the binding pocket. Our new molecular insights into substrate promiscuity among the SMRs can be applied to understand multidrug export and the evolution of novel transport functions more generally.

Abstract Proteins from the bacterial small multidrug resistance (SMR) family are proton-coupled exporters of diverse antiseptics and antimicrobials, including polyaromatic cations and quaternary ammonium compounds. The transport mechanism of the Escherichia coli transporter, EmrE, has been studied extensively, but a lack of high-resolution structural information has impeded a structural description of its molecular mechanism. Here we apply a novel approach, multipurpose crystallization chaperones, to solve several structures of EmrE, including a 2.9 Å structure at low pH without substrate. We report five additional structures in complex with structurally diverse transported substrates, including quaternary phosphonium, quaternary ammonium, and planar polyaromatic compounds. These structures show that binding site tryptophan and glutamate residues adopt different rotamers to conform to disparate structures without requiring major rearrangements of the backbone structure. Structural and functional comparison to Gdx-Clo, an SMR protein that transports a much narrower spectrum of substrates, suggests that in EmrE, a relatively sparse hydrogen bond network among binding site residues permits increased sidechain flexibility.

Lysosomes achieve their function through numerous transporters that import or export nutrients across their membrane. However, technical challenges in membrane protein overexpression, purification, and reconstitution hinder our understanding of lysosome transporter function. Here, we developed a platform to overexpress and purify the putative lysine transporter Ypq1 using a constitutive overexpression system in protease- and ubiquitination-deficient yeast vacuoles. Using this method, we purified and reconstituted Ypq1 into proteoliposomes and showed lysine transport function, supporting its role as a basic amino acid transporter on the vacuole membrane. We also found that the absence of lysine destabilizes purified Ypq1 and causes it to aggregate, consistent with its propensity to be downregulated in vivo upon lysine starvation. Our approach may be useful for the biochemical characterization of many transporters and membrane proteins to understand organellar transport and regulation.