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(zhì)科學國家研究中心和生命科學與醫(yī)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的近原子分辨率三維結構，為深入理解該類膜蛋白轉(zhuǎn)運的分子機制以及其突變引發(fā)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”為題于2019年8月29 日在線發(fā)表在《Cell Research》上。
維生素B12僅能在自然界少數(shù)細菌和古細菌中合成，而其作為一種人類必需的營養(yǎng)物質(zhì)，只能從食物中攝取。維生素B12通過受體介導的內(nèi)吞作用進入細胞，隨后以游離形態(tài)儲存于溶酶體中，需要時外排至細胞質(zhì)而被利用。研究表明人類ATP結合盒式（ABC）轉(zhuǎn)運蛋白 ABCD4定位于溶酶體膜上，可能在溶酶體內(nèi)維生素B12外排至細胞質(zhì)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。其癥狀表現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)運蛋白作為一類通過結合并水解ATP獲得能量實現(xiàn)物質(zhì)跨膜運輸?shù)亩啻慰缒さ鞍?，廣泛分布于原核和真核生物中。其轉(zhuǎn)運的底物包括離子，氨基酸，短肽，糖類以及脂質(zhì)等，因而參與多種重要生理功能，并與腫瘤細胞的抗藥性密切相關。近些年來，由于單顆粒冷凍電鏡技術的飛速發(fā)展，一系列的人類ABC 膜轉(zhuǎn)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。本文報道的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(jīng)過大量的摸索，成功表達并純化得到了狀態(tài)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(tài)的高分辨率三維結構，分辨率達到3.6埃（0.36納米）。該蛋白由606個氨基酸殘基組成，以同源二聚體的形式在人體內(nèi)行使功能。本次解析的結構為生理狀態(tài)下ABCD4二聚體復合物的結構，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(xiàn)對溶酶體內(nèi)開放的構象，其中兩個核酸結合結構域各自結合一個ATP分子并二聚化，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(zhì)打開。
依托該結構提供的蛋白質(zhì)骨架及側(cè)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(fā)現(xiàn)，臨床樣本的突變會破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)部（引入二硫鍵）或與ATP分子之間（鹽橋）的相互作用，或者使蛋白錯誤折疊，最終導致蛋白無法正常催化ATP水解或發(fā)生構想變化，引發(fā)相關疾病。作者又將這些突變版本的蛋白構建在脂質(zhì)體上利用生化活性進一步驗證了結構分析的預測。同時，基于結構我們提出了ABCD4的轉(zhuǎn)運機制。由于定位于溶酶體膜上，ABCD4采用不同于經(jīng)典ABC外排蛋白的反向轉(zhuǎn)運機制來外排維生素B12。該項研究不僅對于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(fā)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(yè)的博士生馮璋為該論文的共同第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)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。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-019-0222-z
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