中國科大解析人類膽汁鹽外排蛋白ABCB11的電鏡結(jié)構(gòu)
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心和生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部陳宇星教授、周叢照教授、孫林峰教授課題組合作，利用冷凍電鏡技術(shù)解析了人類膽汁鹽外排蛋白ABCB11的近原子分辨率三維結(jié)構(gòu)，為深入理解該類膜蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制以及其突變引發(fā)的致病機(jī)理提供了基礎(chǔ)。該研究成果以“Cryo-EM structure of human bile salt exporter ABCB11”為題于2020年3月20 日在線發(fā)表在《Cell Research》上。
膽汁鹽為人體膽汁的重要組成部分，由膽固醇作為前體在肝細(xì)胞中合成，經(jīng)膜蛋白將其轉(zhuǎn)運(yùn)至膽小管中參與膽汁的形成。膽汁主要在小腸中幫助脂肪類物質(zhì)的消化和吸收，膽汁鹽的外排阻塞會(huì)導(dǎo)致一系列的膽汁淤積相關(guān)病癥。比如，進(jìn)行性家族性肝內(nèi)膽汁淤積（PFIC），良性復(fù)發(fā)性肝內(nèi)膽汁淤積（BRIC），妊娠期肝內(nèi)膽汁淤積（ICP），藥物誘導(dǎo)的肝損傷（DILI）。其中PFIC最為嚴(yán)重，該病多發(fā)于兒童，伴隨肝腫大，肝硬化，以至肝功能衰竭最后導(dǎo)致成年前死亡，大部分該病患者需要進(jìn)行肝移植得以存活。
研究表明，膽小管上的ABC膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCB11是膽汁鹽外排到膽小管中最重要的蛋白。該蛋白編碼基因突變會(huì)導(dǎo)致上述提到的各種膽汁淤積病癥。自發(fā)現(xiàn)該基因的近20多年來，對(duì)ABCB11的研究報(bào)道持續(xù)不斷，但人們對(duì)該蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)膽汁鹽的機(jī)理仍然不清楚。作者借助冷凍電鏡技術(shù)解析了該蛋白開放狀態(tài)下的3.5 Å 高分辨率的三維結(jié)構(gòu)。該蛋白由1321個(gè)氨基酸殘基組成，以單體的形式發(fā)揮功能。結(jié)構(gòu)上包含兩個(gè)彼此靠近的跨膜結(jié)構(gòu)域（TMD）和兩個(gè)分開的胞內(nèi)核算結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NDB）以及一個(gè)N端的α螺旋，整體呈現(xiàn)對(duì)肝細(xì)胞內(nèi)開放的構(gòu)象。
根據(jù)該結(jié)構(gòu)提供的三維空間信息，作者對(duì)臨床上該蛋白的突變體致病機(jī)理進(jìn)行了分析。作者發(fā)現(xiàn)，臨床樣本的突變會(huì)破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的相互作用，或者使蛋白錯(cuò)誤折疊，導(dǎo)致蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)功能降低或者完全喪失，最終引發(fā)相關(guān)疾病。作者還對(duì)一系列膽汁鹽以及兩種抑制劑（利福平、格列本脲）的刺激ATP水解活性的進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)利福平和格列本脲以競爭方式抑制該蛋白的活性，這也是服用這類藥物導(dǎo)致肝損傷的主要原因之一。該項(xiàng)研究不僅對(duì)于該類蛋白的分子結(jié)構(gòu)研究具有重要的參考意義，也為相關(guān)疾病的致病機(jī)理分析以及藥物開發(fā)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)技術(shù)大學(xué)在讀博士生王亮和特任副研究員侯文韜為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在上?？萍即髮W(xué)生物成像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科大新醫(yī)學(xué)項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-020-0302-0
( 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部)
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