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近日，中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部陳宇星教授和周叢照教授課題組，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了一系列人類膽汁酸外排蛋白ABCB11與其生理底物—?；悄懰徕c的復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該蛋白內(nèi)部存在兩個串聯(lián)的底物結(jié)合口袋，借助一系列生化實驗闡明了ABCB11特異性外排膽汁酸的分子機制。該研究成果以“Structures of human bile acid exporter ABCB11 reveal a transport mechanism facilitated by two tandem substrate-binding pockets”為題于2022年1月18日在線發(fā)表在《Cell Research》上。

膽汁鹽是人體膽汁中最重要的兼性分子，有助于脂類和脂溶性維生素的消化。此外，它還參與其他生物學過程，如葡萄糖代謝和免疫應(yīng)答等。膽汁鹽以膽固醇作為前體在肝細胞中合成，由ABCB11外排至膽小管中參與膽汁的形成。膽汁鹽的外排阻滯將導致一系列膽汁淤積相關(guān)疾病，如進行性家族性肝內(nèi)膽汁淤積（PFIC）。PFIC多發(fā)于兒童，常伴隨肝腫大和肝硬化，最終因肝功能衰竭而致成年前死亡。

2020年，該研究組利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了人類ABCB11的無配基結(jié)構(gòu)。為了探究ABCB11轉(zhuǎn)運生理底物的分子機制，研究組繼續(xù)解析了ABCB11在不同濃度?；悄懰徕c存在時的兩個3.7?復(fù)合物結(jié)構(gòu)：低濃度時結(jié)合一個牛磺膽酸鈉分子，高濃度時結(jié)合兩個?；悄懰徕c分子。結(jié)合ATP酶活性實驗和底物轉(zhuǎn)運實驗，闡明了兩個口袋具有明顯的底物親和力梯度，使得底物可以順親和力梯度依次結(jié)合兩個口袋，最終完成跨膜轉(zhuǎn)運。這種沿著轉(zhuǎn)運通道串聯(lián)排布的雙底物結(jié)合口袋結(jié)構(gòu)既保證了底物轉(zhuǎn)運的高效性，又保證了底物識別的高特異性。因此，ABCB11是一類全新的ABC轉(zhuǎn)運蛋白----整合了底物濃度梯度擴散和ATP水解供能的主動運輸。該研究成果不僅有助于我們深入理解膽汁酸的轉(zhuǎn)運機制，同時也為膽汁淤積癥等疾病的治療干預(yù)和藥物設(shè)計提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

中國科學技術(shù)大學陳宇星教授、周叢照教授和特任副研究員侯文韜為該論文的共同通訊作者。中國科學技術(shù)大學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)收集工作在中國科學技術(shù)大學綜合成像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中科大新醫(yī)學聯(lián)合基金項目的資助。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-021-00611-9

(中國科學技術(shù)大學生命科學與醫(yī)學部、科研部)