清華新聞網6月9日電 6月8日，清華大學生命學院顏寧研究組在《細胞》(Cell)期刊在線發表了題為《人源脂類外向轉運蛋白ABCA1的結構》（Structure of the Human Lipid Exporter ABCA1）的研究論文，首次報導了膽固醇逆向運輸過程中的關鍵蛋白ABCA1近原子解析度的冷凍電鏡結構，為理解其作用機制及相關疾病致病機理奠定了重要基礎。
膽固醇廣泛存在於高等動物的各類組織細胞當中，它不僅是細胞膜、血漿脂蛋白的重要組成部分，也是包括膽酸、維生素D、類固醇激素在內的許多特殊生物活性分子的前體化合物。但人體內過量的膽固醇積累會促進血管動脈粥樣硬化的發生和發展，導致嚴重的心腦血管疾病（如冠心病及中風等）。由於膽固醇對於人體健康具有兩面性，所以細胞內的膽固醇平衡(cholesterol homeostasis)對於維持人體的健康極其重要。細胞內的膽固醇平衡涉及一系列受嚴格調控的過程(圖1)，例如低密度脂蛋白受體介導的膽固醇攝取、以乙醯輔酶A為原料的膽固醇合成、固醇調節元件結合蛋白/固醇調節元件結合蛋白裂解激活蛋白/胰島素誘導基因（SREBP/SCAP/Insig）信號通路介導的膽固醇代謝轉錄調控、NPC1/NPC2介導的膽固醇胞內轉運、ATP結合盒轉運蛋白A1/膜轉運蛋白（ABCA1/ABCG1)介導的膽固醇逆向運輸(reverse cholesterol transport)等。
顏寧教授研究組一直在針對膽固醇代謝調控通路進行系統的結構生物學與生物化學研究，近年來相繼解析了膽固醇感應蛋白胰島素誘導基因（Insig）在分枝桿菌中同源蛋白的晶體結構（Ren et al., Science, 2015)；裂殖酵母固醇調節元件結合蛋白、固醇調節元件結合蛋白裂解激活蛋白（SREBP、SCAP）各自C端可溶結構域的晶體結構及可溶結構域複合體的冷凍電鏡結構(Gong et al., Cell Research, 2015; Gong et al., Cell Research, 2016)；人源膽固醇胞內轉運蛋白NPC1的冷凍電鏡結構(Gong et al., Cell, 2016)。
圖1. 細胞內膽固醇平衡的整體示意圖 (圖片來源：《分子生物學方法》)。
膽固醇逆向運輸是指將肝外組織細胞內的膽固醇通過血液循環轉運回到肝臟、在肝臟中進行代謝轉化再排出體外的過程，該過程可以通過將過量的膽固醇從動脈血管壁細胞排出體外來阻止泡沫細胞的形成，從而抑制動脈粥樣硬化的發生和發展。過程第一步是ATP結合盒轉運蛋白A1（ABCA1）將包括磷脂和膽固醇在內的脂類向細胞外運輸，然後與細胞外的脂類受體載脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I)結合，從而形成初生高密度脂蛋白(nascent HDL)。高密度脂蛋白HDL被認為對人體有益，脂類的外排和與脂類受體載脂蛋白A-I的結合是HDL形成的限速步驟。之前的研究發現，人體中的ABCA1突變會導致HDL缺乏症，包括丹吉爾病(Tangier disease)、家族性HDL缺乏症(familial HDL deficiency)。雖然ABCA1作為膽固醇逆向運輸過程中的關鍵蛋白，同時在動脈粥樣硬化等疾病的發生和發展過程中具有關鍵性作用，但是目前對於ABCA1的結構及其介導的脂類外向轉運和初生HDL形成的機制大部分尚未知曉。
在最新的《細胞》論文中，來自清華大學的科研人員首次解析了人源ABCA1全長蛋白的近原子解析度冷凍電鏡結構，其中整體結構為4.1埃，關鍵的胞外區結構域為3.9埃。ABCA1屬於ABC的ATP結合盒（ATP-binding cassette)超家族，這是第一個ABCA亞家族的高解析度結構，結構顯示具有非常特別的胞外區結構域。雖然ABCA1的核酸結合結構域(nucleotide-binding domain, NBD)處於未結合核酸的狀態，但它的跨膜區卻意外處於「向外開放」(「outward-facing」)的狀態，而以前報導的所有ABC外向轉運蛋白在未結合核酸時都處於向內開放(inward-facing)的狀態。ABCA1的胞外區形成了一個非常獨特的結構，其中包含了一個長的疏水孔道(elongated hydrophobic tunnel)，為進一步的功能研究提供了非常關鍵的線索。ABCA1的高解析度結構，也為理解之前大量疾病突變的致病機制提供了重要基礎。
基於結構分析，他們針對ABCA1介導的磷脂外向轉運提出了一個側向進入(lateral access)的轉運模型，這個模型不同於以往絕大部分主動轉運蛋白和次級轉運蛋白所採取的交替轉運(alternating access)模型。在交替轉運模型中，轉運蛋白的跨膜區在轉運過程中需要交替地呈現向內開放和向外開放的形式，從而實現將底物從膜的一側向另一側轉運。然而在ABCA1的側向進入模型中，跨膜區即使在「向外開放」的情況下，底物依然可以從細胞膜的內葉(inner leaflet)側向進入跨膜區的底物結合口袋。因此，ABCA1在轉運過程中可能不存在一個「向內開放」的狀態(圖2)。總的來說，ABCA1結構的解析不僅為理解其作用機制及相關疾病致病機理奠定了重要基礎，也豐富了對跨膜轉運蛋白工作機理的理解。
圖2. 人源ABCA1蛋白的結構模型及其介導磷脂外向轉運和初生HDL形成的示意圖。
生命科學聯合中心博士研究生項目（CLS）2013級博士生錢洪武和結構生物學高精尖創新中心卓越學者龔欣博士（醫學院博士後）為本文的共同第一作者，顏寧教授和龔欣博士為本文的共同通訊作者。生命科學聯合中心博士研究生項目16級博士生趙馨和醫學院15級博士生曹平平參與了該項課題研究。本研究獲得了清華大學冷凍電鏡平臺雷建林博士、李小梅和李曉敏的大力支持。國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平臺和清華大學高性能計算平臺分別為本研究的數據收集和數據處理提供了支持。科技部、基金委、生命科學聯合中心-清華大學、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、北京市結構生物學高精尖創新中心為本研究提供了經費支持。
論文連結：
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30580-9
供稿：生命學院 編輯：悸寔 華山