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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)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)解析了分辨率約為3.3?的人類膽固醇外排轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCG1與底物膽固醇、ATP及鞘磷脂分子復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)?；诮Y(jié)構(gòu)開(kāi)展的一系列生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究，揭示了膽固醇經(jīng)由ABCG1跨膜外排的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)膽固醇接收器和膜上鞘磷脂分子是外排活性所必需的。相關(guān)研究成果以“Structure and Transport Mechanism of the Human Cholesterol Transporter ABCG1”為題于2022年1月25日在線發(fā)表在《Cell Reports》上。

膽固醇作為哺乳動(dòng)物細(xì)胞質(zhì)膜的主要成分，在維持膜流動(dòng)性和穩(wěn)定性以及合成膽汁酸、類固醇激素和維生素D等代謝過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。細(xì)胞內(nèi)多余的膽固醇可以通過(guò)逆向膽固醇運(yùn)輸(RCT)途徑從外周組織細(xì)胞轉(zhuǎn)移到肝臟。當(dāng)RCT功能異常時(shí)，胞內(nèi)的膽固醇會(huì)過(guò)度累積，最終導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化，即目前全球第一的致死疾病。ABCG1作為RCT途徑中負(fù)責(zé)向胞外轉(zhuǎn)運(yùn)膽固醇的關(guān)鍵膜蛋白，其功能異常與動(dòng)脈粥樣硬化等重大疾病具有高度相關(guān)性。

圖1 ABCG1的三維結(jié)構(gòu)及其介導(dǎo)膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制

該文報(bào)道了ABCG1一個(gè)呈現(xiàn)向胞內(nèi)開(kāi)口構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)。由于同時(shí)結(jié)合了ATP和底物分子，該結(jié)構(gòu)處于構(gòu)象變化交替的中間態(tài)?；诮Y(jié)構(gòu)分析、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，作者鑒定了ABCG1結(jié)合膽固醇底物的氨基酸殘基，闡釋了蛋白-底物的相互作用模式，并發(fā)現(xiàn)在底物結(jié)合口袋出口處存在一組苯丙氨酸殘基對(duì)于底物轉(zhuǎn)運(yùn)非常重要。相應(yīng)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)揭示了ABCG1活性同時(shí)依賴于膽固醇接收器—高密度脂蛋白HDL。研究人員還借助質(zhì)譜技術(shù)，發(fā)現(xiàn)在蛋白底物結(jié)合口袋附近特異性結(jié)合的鞘磷脂組分。結(jié)構(gòu)分析和功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該鞘磷脂分子是ABCG1介導(dǎo)膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)所必需的?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果，作者提出了一個(gè)ABCG1介導(dǎo)膽固醇外排機(jī)制模型：鞘磷脂協(xié)助膽固醇與ABCG1結(jié)合，并參與形成完整的結(jié)合口袋以穩(wěn)定底物分子，胞外結(jié)合的HDL促進(jìn)膽固醇從ABCG1底物口袋中外排（圖1）。該研究不僅揭示了ABCG1與膽固醇的相互作用模式以及HDL對(duì)于膽固醇外排轉(zhuǎn)運(yùn)的重要性，也進(jìn)一步完善了膽固醇代謝的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)膽固醇代謝失調(diào)相關(guān)疾病的防治具有重要的理論指導(dǎo)意義。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部陳宇星教授、周叢照教授和侯文韜特任副研究員為該論文的共同通訊作者，徐達(dá)博士為該論文的第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生物成像中心完成。該研究工作得到了西湖大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李顏顏研究員和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)無(wú)膜細(xì)胞器與細(xì)胞動(dòng)力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姚雪彪教授、楊豐瑞博士的大力幫助，并得到了來(lái)自科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的資助。

原文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00004-3

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）