2017年6月8日，清華大學(xué)生命學(xué)院、結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心顏寧研究組在《細(xì)胞》(Cell)雜志在線發(fā)表了題為《人源脂類外向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCA1的結(jié)構(gòu)》（Structure of the Human Lipid Exporter ABCA1）的研究論文，首次報(bào)道了膽固醇逆向運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵蛋白ABCA1近原子分辨率的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，為理解其作用機(jī)制及相關(guān)疾病致病機(jī)理奠定了重要基礎(chǔ)。

膽固醇廣泛地存在于高等動(dòng)物的各類組織細(xì)胞當(dāng)中，它不僅是細(xì)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(nèi)的許多特殊生物活性分子的前體化合物。但是，人體內(nèi)過量的膽固醇積累會(huì)促進(jìn)血管動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展，并有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的心腦血管疾病（如冠心病及中風(fēng)等）。正因?yàn)槟懝檀紝τ谌梭w健康具有兩面性，所以細(xì)胞內(nèi)的膽固醇平衡(cholesterol homeostasis)對于維持人體的健康是必須的。細(xì)胞內(nèi)的膽固醇平衡涉及一系列受嚴(yán)格調(diào)控的過程(圖1)，例如低密度脂蛋白受體介導(dǎo)的膽固醇攝取、以乙酰輔酶A為原料的膽固醇合成、SREBP/SCAP/Insig信號通路介導(dǎo)的膽固醇代謝轉(zhuǎn)錄調(diào)控、NPC1/NPC2介導(dǎo)的膽固醇胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、ABCA1/ABCG1介導(dǎo)的膽固醇逆向運(yùn)輸(reverse cholesterol transport)等。

顏寧教授研究組一直以來都在針對膽固醇代謝調(diào)控通路進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生物學(xué)與生物化學(xué)研究，在近年開始取得進(jìn)展。她們相繼解析了膽固醇感應(yīng)蛋白Insig在分枝桿菌中同源蛋白的晶體結(jié)構(gòu)（Ren et al., Science, 2015)；裂殖酵母SREBP、SCAP各自C端可溶結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)以及可溶結(jié)構(gòu)域復(fù)合體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(Gong et al., Cell Research, 2015; Gong et al., Cell Research, 2016)；人源膽固醇胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NPC1的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)(Gong et al., Cell, 2016)。

圖1. 細(xì)胞內(nèi)膽固醇平衡的整體示意圖

(圖片來源：《Methods in Molecular Biology》)

膽固醇逆向運(yùn)輸是指將肝外組織細(xì)胞內(nèi)的膽固醇通過血液循環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)回到肝臟，在肝臟中進(jìn)行代謝轉(zhuǎn)化再排出體外的過程。膽固醇逆向運(yùn)輸可以通過將過量的膽固醇從動(dòng)脈血管壁細(xì)胞排出體外來阻止泡沫細(xì)胞的形成，從而抑制動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展。膽固醇逆向運(yùn)輸過程的第一步是ABCA1將包括磷脂和膽固醇在內(nèi)的脂類向細(xì)胞外運(yùn)輸，然后與細(xì)胞外的脂類受體載脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I, apoA-I)結(jié)合從而形成初生高密度脂蛋白(nascent HDL)。高密度脂蛋白HDL被認(rèn)為是對人體有益的，脂類的外排和與apoA-I的結(jié)合是HDL形成的限速步。之前的研究還發(fā)現(xiàn)，人體中的ABCA1突變會(huì)導(dǎo)致HDL缺乏癥，包括丹吉爾病(Tangier disease)和家族性HDL缺乏癥(familial HDL deficiency)。雖然ABCA1作為膽固醇逆向運(yùn)輸過程中的關(guān)鍵蛋白，同時(shí)在動(dòng)脈粥樣硬化等疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中具有關(guān)鍵性的作用，但是目前對于ABCA1的結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)的脂類外向轉(zhuǎn)運(yùn)和初生HDL形成的機(jī)制大部分都是未知的。

在最新的《細(xì)胞》論文中，來自清華大學(xué)的科研人員首次解析了人源ABCA1全長蛋白的近原子分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，其中整體結(jié)構(gòu)為4.1埃，關(guān)鍵的胞外區(qū)結(jié)構(gòu)域?yàn)?.9埃。ABCA1屬于ABC (ATP-binding cassette)超家族，這是第一個(gè)ABCA亞家族的高分辨率結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)顯示它具有非常特別的胞外區(qū)結(jié)構(gòu)域。雖然ABCA1的核酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(nucleotide-binding domain, NBD)處于未結(jié)合核酸的狀態(tài)，但是它的跨膜區(qū)卻意外的處于“向外開放”(“outward-facing”)的狀態(tài)，而以前報(bào)道的所有ABC外向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在未結(jié)合核酸時(shí)都處于向內(nèi)開放(inward-facing)的狀態(tài)。ABCA1的胞外區(qū)形成了一個(gè)非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，其中包含了一個(gè)長的疏水孔道(elongated hydrophobic tunnel)，為進(jìn)一步的功能研究提供了非常關(guān)鍵的線索。ABCA1的高分辨率結(jié)構(gòu)，也為理解之前大量疾病突變的致病機(jī)制提供了重要基礎(chǔ)。最后基于結(jié)構(gòu)分析，她們針對ABCA1介導(dǎo)的磷脂外向轉(zhuǎn)運(yùn)提出了一個(gè)側(cè)向進(jìn)入(lateral access)的轉(zhuǎn)運(yùn)模型，這個(gè)模型不同于以往絕大部分主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和次級轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白所采取的交替轉(zhuǎn)運(yùn)(alternating access)模型。在交替轉(zhuǎn)運(yùn)模型中，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的跨膜區(qū)在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中需要交替的呈現(xiàn)向內(nèi)開放和向外開放的形式，從而實(shí)現(xiàn)將底物從膜的一側(cè)向另一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)；然而在ABCA1的側(cè)向進(jìn)入模型中，跨膜區(qū)即使在“向外開放”的情況下，底物依然可以從細(xì)胞膜的內(nèi)葉(inner leaflet)側(cè)向進(jìn)入跨膜區(qū)的底物結(jié)合口袋，因此ABCA1在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中可能不存在一個(gè)“向內(nèi)開放”的狀態(tài)(圖2)�？偟膩碚f，ABCA1結(jié)構(gòu)的解析不僅為理解其作用機(jī)制及相關(guān)疾病致病機(jī)理奠定了重要基礎(chǔ)，同時(shí)也豐富了我們對跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白工作機(jī)理的理解。

圖2. 人源ABCA1蛋白的結(jié)構(gòu)模型及其介導(dǎo)磷脂外向轉(zhuǎn)運(yùn)和初生HDL形成的示意圖

CLS項(xiàng)目13級博士生錢洪武和結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者龔欣博士(醫(yī)學(xué)院博士后)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。CLS項(xiàng)目16級博士生趙馨和醫(yī)學(xué)院15級博士生曹平平也參與了該項(xiàng)課題研究。本研究獲得了清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)雷建林博士、李小梅和李曉敏的大力支持。國家蛋白質(zhì)科學(xué)中心（北京）清華大學(xué)冷凍電鏡平臺(tái)和清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)分別為本研究的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理提供了支持。科技部、基金委、生命科學(xué)聯(lián)合中心-清華大學(xué)、生物膜與膜生物工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心為本研究提供了經(jīng)費(fèi)支持。

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