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膽固醇分子“一波三折”的“轉運旅程”

2020-06-16 中國科學報 劉如楠
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  6月15日,美國普林斯頓大學顏寧團隊和澳大利亞新南威爾士大學楊洪遠團隊合作,在《細胞》在線發表了題為《低pH依賴的溶酶體膽固醇外向運輸的結構基礎》的研究論文。這是顏寧團隊繼上月在《自然》雜志同期發表兩項研究成果后,又一研究成果登上國際頂級期刊。

  這項研究展示了膽固醇分子在NPC1和NPC2蛋白的介導下,從溶酶體腔內到溶酶體膜的轉運過程,并首次揭示了NPC1蛋白功能對于pH值的依賴性。

  膽固醇過量累積的“始作俑者”

  膽固醇是細胞膜的組成部分,起到調節細胞膜的流動性、厚度和曲度的作用。同時,它也是哺乳動物體內合成膽汁、維他命D、多種荷爾蒙的前體。

  人體可以從食物中攝取,也可以在肝臟細胞中合成膽固醇。由于膽固醇不溶于水,在血液中主要以脂蛋白顆粒的形式存在,而后通過胞吞的形式進入組織細胞。隨后在溶酶體中,膽固醇從脂蛋白顆粒中釋放出來,后經NPC1和NPC2蛋白介導,被運輸到細胞其它部位發揮功能。

  如果NPC1和NPC2蛋白產生突變,膽固醇就會在溶酶體中過量積累,對人體神經系統產生影響,導致C型尼曼匹克癥(NPC)。其臨床表現為夭折、智力減退、說話不清、肌張力不全等,目前無法治愈,也缺乏阻斷其惡化的有效手段。

  顏寧團隊一直致力于膽固醇代謝調控通路的結構生物學與生物化學研究,早在2016年,就曾報道了人源NPC1蛋白4.4埃分辨率的冷凍電鏡結構。2018年,研究團隊又解析了NPC1同源蛋白Patched 1 (Ptch1)的冷凍電鏡結構,進一步揭示了此類蛋白轉運甾類物質的機理。

  本文共同第一作者、普林斯頓大學分子生物學系博士后錢洪武告訴《中國科學報》,“在前述基礎上,本次研究進一步加深了我們對NPC1轉運功能的理解。”

  膽固醇的轉運旅程

  NPC2是一個可溶蛋白,而NPC1是一個膜蛋白。它由13個跨膜螺旋和3個位于腔內側的可溶結構域(即NTD、domain C、domain I)組成。其中,第3~7個跨膜螺旋構成了一個保守的固醇感知結構域(SSD)。

  在Ptch1的研究中,SSD已被證明可以結合膽固醇類分子。

  此前研究還發現,在溶酶體中,從脂蛋白顆粒中釋放出來的膽固醇旅程的第一站是“會見”NPC2。不溶于水的膽固醇會被NPC2包裹起來,游離存在于親水環境中。接下來到達第二站,即NPC1中的NTD,隨后由NPC1轉運到溶酶體膜上。但是,在這個轉運旅程中,各個部分的協同作用機理尚不清楚。

  研究人員解析了NPC1-NPC2復合物結構。為了便于轉運,NPC2會與domain C相互作用,使NPC2和NTD中膽固醇結合口袋朝向一起。這便是膽固醇第二段旅程的狀態。

  第三段旅程是從NTD向跨膜區轉移,在這里出現了一個“隧道”——中心通道,它位于domain C和domain I中間,由這兩個結構域纏繞而成。中心通道在跨膜區的出口正好指向SSD結合膽固醇類分子的位點。

  “K-turn”轉運模型

  “在NPC1的同源蛋白Ptch1結構中,也有相似的通道。這些發現暗示著,膽固醇可能通過中心通道從NTD轉運到了跨膜區的SSD,最后釋放到溶酶體膜上。”錢洪武說,隨后在pH 5.5結構解析中,研究團隊在中心通道中發現了一個“殘留”的膽固醇分子,這進一步驗證了上述結果。

  通過精細的數據處理,作者還發現,pH 5.5條件下,NTD存在兩種構象狀態(A和B)。“狀態A中,NTD上膽固醇結合口袋的開口偏離中間通道,呈現出一種從‘上家’NPC2接受膽固醇的狀態;而狀態B中,口袋的開口接近中心通道入口,呈現出一種將要把膽固醇傳遞到‘隧道’中心通道上的狀態。”錢洪武說,這也是對膽固醇的旅程途徑站點的再次驗證。

  基于以上研究,作者提出了“K-turn”轉運模型。“在膽固醇分子的轉運旅程中,方向經過了一次顛倒,就好比汽車掉頭一樣。這便于它進入溶酶體膜。”本文另一共同一作、普林斯頓大學化學系博士生鄔雪瀾說。

  為C型尼曼匹克癥治療提供線索

  研究過程中,作者通過對比NPC1在pH 5.5和pH 8.0條件下的結構發現,中心通道連接跨膜區SSD的出口分別處于閉合和開放的狀態。

  “這暗示著,pH值可能對NPC1的轉運功能有調節作用。這為NPC1的功能研究提供了一個新方向。”錢洪武說。

  據了解,與C型尼曼匹克癥直接相關突變約95%發生于NPC1,其余5%發生于NPC2。在該研究中,作者在NPC1的高分辨率結構上精準定位了218個與C型尼曼匹克癥相關的突變氨基酸位點,并將這些突變位點分為結構突變與功能突變。

  “結構突變影響蛋白的折疊與定位,功能突變影響膽固醇轉運,這為將來針對不同機理的對癥治療提供了線索。”顏寧告訴《中國科學報》。

  “除這些有意思的觀察之外,一些新問題也被發現了,比如NPC1為何需要酸性環境?氫離子與膽固醇同時被轉運,還是NPC1僅僅需要酸性環境激活?膽固醇進入溶酶體膜后,又是如何被運送到了細胞的其他膜結構?這些都有待進一步研究。”她說。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.05.020

打印 責任編輯:侯茜

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