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陳曉偉團隊鑒定領(lǐng)域長期探尋的磷脂翻轉(zhuǎn)酶，并提出“脂層不平衡反應(yīng)”的概念

磷脂雙層膜是生命的核心特征之一，從細胞層面上界定了“非我“和”自我“、并保護著后者。因此，細胞起源的假說之一就認為：磷脂雙層膜包裹、隔絕了少許溶液和溶質(zhì)，從而產(chǎn)生了第一個細胞。

磷脂雙層膜的功能核心是具有油、水雙親性的磷脂分子，它們“肩并肩”的排列成為脂層(leaflet)，進而兩個脂層相對排布構(gòu)成雙層膜(bilayer)。磷脂膜的理化性質(zhì)和生物功能，決定了組建它的磷脂分子無法在兩個脂層之間自由翻轉(zhuǎn)。然而，這種trans-bilayer的磷脂運輸，對生命活動又至關(guān)重要。譬如磷脂的合成集中于細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜上，但僅發(fā)生于細胞質(zhì)一側(cè)的單脂層（cytosolic leaflet），故磷脂必須翻轉(zhuǎn)至另一側(cè)方可產(chǎn)生完整的雙層膜。有趣的是，盡管生物膜發(fā)生中存在磷脂翻轉(zhuǎn)因子這一猜想在近半世紀前即被提出，但該因子長期未能被發(fā)現(xiàn)，更罔論其生理、病理功能。

除了生物膜的發(fā)生這一基礎(chǔ)過程，磷脂的跨膜轉(zhuǎn)運也是多種重要生物學(xué)現(xiàn)象的根本；其中最具特點的，乃是血脂運輸中對磷脂的高度依賴和大量利用。北京大學(xué)陳曉偉團隊長期關(guān)注血脂運輸這一基礎(chǔ)研究與臨床醫(yī)學(xué)高度交叉的方向，在近期報道了特異介導(dǎo)脂蛋白運輸?shù)摹胺置谑荏w”SURF4及其開啟的血脂運輸通路。SURF4基因在人群中的表達和血脂水平高度關(guān)聯(lián)；僅在動物肝臟中失活SURF4即可定量降低血脂直至清零，從而完全防止動脈粥樣硬化等心血管疾病的發(fā)生。（Receptor-mediated ER exit of lipoproteins controls lipid homeostasis in mice and humans, Cell Metabolism 2021a）。在此基礎(chǔ)上，該團隊進一步純化并鑒定了SURF4組建的功能復(fù)合體，發(fā)現(xiàn)其中的TMEM41B為領(lǐng)域內(nèi)長期尋找的磷脂翻轉(zhuǎn)酶，并揭示了其定位于細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的特定區(qū)域、發(fā)揮produce-and-protect功能的分子機制，進而提出了“脂層不平衡反應(yīng)”的新穎概念。（TMEM41B acts as an ER lipid scramblase required for lipoprotein biogenesis and lipid homeostasis，Cell Metabolism 2021b）

脂質(zhì)（包括甘油三脂、膽固醇等）運輸需要以脂蛋白的形式進行。脂蛋白在肝臟或小腸的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中合成，進而被分泌入血液。脂蛋白的組裝需要從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔一側(cè)獲得大量的磷脂作為包被，故而肝臟和小腸中都存在著組織特異的磷脂合成通路，在細胞質(zhì)一側(cè)旺盛的產(chǎn)生磷脂；兩相疊加，故而脂蛋白的合成和運輸可以被認為是磷脂翻轉(zhuǎn)因子發(fā)揮作用的絕佳舞臺。

陳曉偉團隊先期發(fā)現(xiàn)，脂蛋白的分泌受體SURF4組裝了一個功能復(fù)合體、存在著多個亟待研究的新穎跨膜蛋白。其中的TMEM41B，可與SURF4及脂蛋白形成特異的三元復(fù)合體，并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體間穿梭，而在肝臟中失活TMEM41B可導(dǎo)致小鼠的血脂清零。

TMEM41B此前在全基因組篩選中被發(fā)現(xiàn)為自噬所需基因、及冠狀病毒感染的關(guān)鍵宿主基因，結(jié)合其在血脂運輸中的重要功能，該蛋白的分子身份愈發(fā)成謎。作者首先從宏觀的代謝調(diào)控得到了啟發(fā)：自噬屬于分解代謝、而脂蛋白是合成代謝的產(chǎn)物，這兩大代謝過程此消彼長，卻都需要獲取磷脂這一根本組分用于包被。巧合的是，TMEM41B在三維構(gòu)象上與已有高清結(jié)構(gòu)的ECF復(fù)合體的S亞基高度相似，同源建模后發(fā)現(xiàn)其存在一個被正電覆蓋的孔道，或可容納呈負電的磷脂分子。無獨有偶，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體雖然功能迥異，但脂蛋白在這兩個細胞器之內(nèi)都不斷進行中性脂質(zhì)及磷脂的補充、且需跨雙層膜獲取。

上述的思維實驗，啟發(fā)了作者猜測TMEM41B可能為領(lǐng)域中長期尋找的磷脂翻轉(zhuǎn)因子。基于此想法，作者首先利用經(jīng)典的體外酶活實驗，證明了TMEM41B可以高效且不依賴ATP的跨膜翻轉(zhuǎn)磷脂；進而設(shè)計了基于化學(xué)生物學(xué)的細胞實驗，證明了TMEM41B缺失導(dǎo)致磷脂在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的單側(cè)脂層堆積；更進一步借助小鼠epistasis遺傳實驗，證明了肝臟中TMEM41B在脂蛋白發(fā)生中特異且不可或缺的功能。上述的生化、細胞、動物實驗相互印證，共同揭示了TMEM41B是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上關(guān)鍵的磷脂翻轉(zhuǎn)酶。

在揭示TMEM41B分子身份的同時，作者同時發(fā)現(xiàn)其缺失導(dǎo)致了驚人的代謝病變：普通飼料喂養(yǎng)的TMEM41B缺失小鼠在2-4周內(nèi)即可產(chǎn)生嚴重的脂肪肝并發(fā)展為NASH（通常需高脂飼料誘導(dǎo)近一年），提示了未知應(yīng)激通路的開啟。作者進而借助Cryo-ET及數(shù)學(xué)建模的方法，發(fā)現(xiàn)肝臟內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜發(fā)生了嚴重卷曲、產(chǎn)生了高度不對稱的脂層；上述的變化導(dǎo)致了SREBP/SCAP從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)逃逸和激活，從而在脂質(zhì)分泌受阻的同時又不受抑制的開啟脂質(zhì)合成；雖然TMEM41B的下調(diào)廣泛的存在于肥胖的小鼠、恒河猴和脂肪肝患者中，但其缺失導(dǎo)致的病變并不激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反應(yīng)（unfolded protein response, UPR），提示了生物膜的合成缺陷或損傷可作為獨立的應(yīng)激通路，形成 “脂層不平衡反應(yīng)”（leaflet imbalance response）。

值得一提的是，近期的全基因組篩選也發(fā)現(xiàn)TMEM41B為新冠病毒的關(guān)鍵宿主基因（Cell 2021）。因此，上述研究既回答了一個基礎(chǔ)生物學(xué)中的long-standing question，也有望開啟此前未知的細胞應(yīng)激領(lǐng)域，并為代謝及傳染疾病的防治提供了新的理論依據(jù)。北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所的博士生黃東、許柏林、劉璐為該研究的共同第一作者，陳曉偉為通訊作者；清華大學(xué)李蓬教授及復(fù)旦大學(xué)陳豐榮研究員對數(shù)學(xué)建模提供了關(guān)鍵的支持；電鏡實驗有賴NIBS及北大生科院電鏡平臺的技術(shù)支撐。該項目得到了科技部重點研發(fā)計劃、自然科學(xué)基金委重大研究計劃、及北大-清華生命科學(xué)中心的支持。