中國科大首次解析人類溶酶體維生素B12外排蛋白ABCD4的電鏡結構

近日，中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心和生命科學與醫學部陳宇星教授和周叢照教授課題組與孫林峰教授課題組合作，利用冷凍電鏡技術首次解析了人類溶酶體維生素B12外排蛋白ABCD4的近原子解析度三維結構，為深入理解該類膜蛋白轉運的分子機制以及其突變引發疾病的致病機理提供了基礎。該研究成果以「Cryo-EM structure of human lysosomal cobalamin exporter ABCD4」為題於2019年8月29日在線發表在《Cell Research》上。

維生素B12僅能在自然界少數細菌和古細菌中合成，而其作為一種人類必需的營養物質，只能從食物中攝取。維生素B12通過受體介導的內吞作用進入細胞，隨後以游離形態儲存於溶酶體中，需要時外排至細胞質而被利用。研究表明人類ATP結合盒式（ABC）轉運蛋白 ABCD4定位於溶酶體膜上，可能在溶酶體內維生素B12外排至細胞質過程中起到關鍵作用。ABCD4基因的突變可能導致一系列先天性維生素B12缺陷病。其症狀表現為肌張力減退、骨髓抑制、巨紅細胞性貧血和心臟病等。然而溶酶體內維生素B12外排的分子機制卻不清楚，制約了對相關疾病的深入了解和治療。

ABC膜轉運蛋白作為一類通過結合併水解ATP獲得能量實現物質跨膜運輸的多次跨膜蛋白，廣泛分布於原核和真核生物中。其轉運的底物包括離子，胺基酸，短肽，糖類以及脂質等，因而參與多種重要生理功能，並與腫瘤細胞的抗藥性密切相關。近些年來，由於單顆粒冷凍電鏡技術的飛速發展，一系列的人類ABC膜轉運蛋白的分子結構被解析，涵蓋了除ABCD亞家族之外的所有亞家族。本文報導的ABCD4結構作為D亞家族第一個三維結構，填補了這一空白。作者經過大量的摸索，成功表達並純化得到了狀態良好的人類ABCD4蛋白，利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了該蛋白與ATP（三磷酸腺苷）結合狀態的高解析度三維結構，解析度達到3.6埃（0.36納米）。該蛋白由606個胺基酸殘基組成，以同源二聚體的形式在人體內行使功能。本次解析的結構為生理狀態下ABCD4二聚體複合物的結構，包含兩個六次跨膜的跨膜結構域（TMD）和兩個核酸結合結構域（NBD），整體呈現對溶酶體內開放的構象，其中兩個核酸結合結構域各自結合一個ATP分子並二聚化，兩個跨膜結構域通過跨膜螺旋的交錯形成兩扇「翅膀」朝向溶酶體基質打開。

依託該結構提供的蛋白質骨架及側鏈空間信息，作者對臨床上該蛋白的突變體致病機理進行分析。作者發現，臨床樣本的突變會破壞蛋白質分子內部（引入二硫鍵）或與ATP分子之間（鹽橋）的相互作用，或者使蛋白錯誤摺疊，最終導致蛋白無法正常催化ATP水解或發生構想變化，引發相關疾病。作者又將這些突變版本的蛋白構建在脂質體上利用生化活性進一步驗證了結構分析的預測。同時，基於結構我們提出了ABCD4的轉運機制。由於定位於溶酶體膜上，ABCD4採用不同於經典ABC外排蛋白的反向轉運機制來外排維生素B12。該項研究不僅對於該類蛋白的分子結構研究具有重要的參考意義，也為相關疾病的致病機理研究以及藥物開發設計提供了理論指導。

中國科學技術大學陳宇星教授、周叢照教授和孫林峰教授為該論文的共同通訊作者。中國科學技術大學二年級博士生徐達和已畢業的博士生馮璋為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數據收集工作在中科院生物物理所生物成像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。

文章連結：https://www.nature.com/articles/s41422-019-0222-z

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、生命科學與醫學部、科研部）