颜宁等在《细胞》发文报道ABCA1的三维结构
2017年6月8日，清华大学生命研究所颜宁研究小组和结构生物学高级创新中心在《细胞》杂志在线发表了一篇题为“人类脂质输出者ABCA1的结构”的研究论文。首次报道了胆固醇逆向转运过程中关键蛋白ABCA1的近原子分辨率冷冻电镜结构，为了解其作用机制及相关疾病的发病机制奠定了重要基础。
胆固醇广泛存在于高等动物的各种组织和细胞中。它不仅是细胞膜和血浆脂蛋白的重要组成部分，也是胆酸、维生素D和类固醇激素等许多特殊生物活性分子的前体化合物。然而，人体内过多的胆固醇积累会促进血管动脉粥样硬化的发生和发展，并可能导致严重的心脑血管疾病(如冠心病和中风)。因为胆固醇对人体健康有两个方面，细胞内胆固醇稳态对维持人体健康是必要的。细胞内的胆固醇平衡涉及一系列严格调控的过程(图1)，例如由低密度脂蛋白受体介导的胆固醇摄取、以乙酰辅酶a为原料的胆固醇合成、由SREBP/SCAP/Insig信号通路介导的胆固醇代谢的转录调控、由NPC1/NPC2介导的细胞内胆固醇转运、由ABCA1/ABCC1介导的胆固醇反向转运等。
颜宁教授的研究团队对胆固醇代谢调控途径进行了系统的结构生物学和生物化学研究，近年来取得了进展。先后分析了分枝杆菌胆固醇敏感蛋白Insig同源蛋白的晶体结构(任等，科学，2015)；)；酿酒裂殖酵母SREBP和SCAP C-末端可溶性结构域的晶体结构和可溶性结构域复合物的冷冻电镜结构(龚等，细胞研究，2015；龚等，细胞研究，2016)；人胆固醇胞内转运蛋白NPC1的低温电镜结构(龚等，Cell，2016)。
图1。细胞内胆固醇平衡的总体示意图
(照片来源:分子生物学方法)
胆固醇逆向转运是指肝外组织细胞中的胆固醇通过血液循环转运回肝脏，在肝脏中代谢转化，然后排出体外的过程。胆固醇的逆向运输可以通过从动脉壁细胞中排出过量的胆固醇来防止泡沫细胞的形成，从而抑制动脉粥样硬化的发生和发展。胆固醇反向转运过程的第一步是ABCA1将包括磷脂和胆固醇在内的脂质转运到细胞外，然后与细胞外脂质受体载脂蛋白A-1(载脂蛋白A-1，载脂蛋白A-1)结合，形成初级高密度脂蛋白(新生高密度脂蛋白)。高密度脂蛋白高密度脂蛋白被认为对人体有益，脂质的流出和与载脂蛋白a-1的结合是高密度脂蛋白形成的限速步骤。先前的研究还发现，人类的ABCA1突变可导致高密度脂蛋白缺乏，包括丹吉尔病和家族性高密度脂蛋白缺乏。尽管ABCA1蛋白是胆固醇反向转运的关键蛋白，并在动脉粥样硬化和其他疾病的发生和发展中发挥关键作用，但是ABCA1蛋白的结构以及由ABCA1介导的脂质向外转运和主要高密度脂蛋白形成的机制在很大程度上是未知的。
在最新的“细胞”论文中，清华大学的研究人员首次分析了人类ABCA1全长蛋白的近原子分辨率冷冻电子显微镜结构，其中整体结构为4.1埃，关键胞外结构域为3.9埃。ABCA1属于ABC(三磷酸腺苷结合盒)超家族，这是第一个高分辨率的abcasubfamily结构。这种结构表明它有一个非常特殊的胞外结构域。尽管ABCA1的核苷酸结合结构域NBD)处于未结合核酸的状态，但其跨膜区出人意料地处于“向外”状态，而以前报道的所有贝克曼库尔特外向转运体在未结合核酸时都处于向内状态。ABCA1的胞外区形成了一个非常独特的结构，它包含一个长的疏水通道，为进一步的功能研究提供了一个非常关键的线索。ABCA1的高分辨率结构也为理解许多先前疾病突变的发病机制提供了重要的基础。最后，基于结构分析，他们提出了ABCA1介导的磷脂向外转运的横向通路转运模型，该模型不同于大多数活性和次级转运体采用的先前的交替通路模型。在替代转运模型中，转运蛋白的跨膜区需要在转运过程中交替地向内和向外打开，以便将底物从膜的一侧转运到另一侧；然而，在ABCA1的横向进入模型中，即使跨膜区是“向外开放的”，底物仍然可以从细胞膜的内叶横向进入跨膜区的底物结合口袋，因此ABCA1在运输过程中可能不具有“向内开放”的状态(图2)。总的来说，对ABCA1结构的分析不仅为理解其作用机制和相关疾病的发病机制奠定了重要基础，也丰富了我们对跨膜转运蛋白工作机制的理解。
图2。人ABCA1蛋白结构模型及其介导磷脂向外转运和初级高密度脂蛋白形成的示意图
CLS项目13级博士生钱洪武和结构生物学高级创新中心杰出学者(医学院博士后)龚欣博士是本文的合著者，颜宁教授和龚欣博士是本文的合著者。项目16级博士生赵鑫和医学院15级博士生曹也参加了研究。本研究得到了清华大学冷冻电子显微镜平台上的雷建林博士、和李的大力支持。国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电子显微镜平台和清华大学高性能计算平台分别为本次研究的数据收集和数据处理提供支持。科技部、基金委、清华大学生命科学联合中心、生物膜与膜生物工程国家重点实验室、北京结构生物学高级创新中心为本次研究提供了资助。
论文链接:
http://www . cell . com/cell/full text/S0098674(17)30580-9
阅读更多
清华大学和颜宁研究小组在《自然》杂志上发表的文章
像颜宁和高福这样的科学家已经分析了NPC1蛋白的结构
颜宁集团彻底揭示葡萄糖转运蛋白的机制
和等人揭示了最大离子通道的结构