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人類ABCD1屬于ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族ABCD亞家族，定位于過(guò)氧化物酶體膜上，能夠利用ATP水解產(chǎn)生的能量將超長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A (VLCFA-CoA)從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到過(guò)氧化物酶體中進(jìn)行β-氧化。ABCD1功能缺陷會(huì)使得超長(zhǎng)鏈脂肪酸在細(xì)胞中積累，導(dǎo)致伴X-染色體腎上腺腦白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)不良癥(X-ALD)（圖1）。作為最常見的過(guò)氧化物酶體疾病，X-ALD在人群中的發(fā)病率約為1/17,000，影響人類的腎上腺、脊髓和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。自1993年X-ALD的致病蛋白ABCD1 被鑒定以來(lái)，人們圍繞著其生理功能、底物特異性以及底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了大量的研究，并且鑒定了超過(guò)900個(gè)致病突變位點(diǎn)，但是ABCD1高分辨率三維結(jié)構(gòu)的缺失極大地限制了人們對(duì)ABCD1的底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制和相關(guān)突變致病機(jī)理的理解。

圖1. ABCD1功能缺陷導(dǎo)致X-ALD

近日，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)解析了人類超長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCD1的無(wú)配基結(jié)合(apo-form)、底物結(jié)合以及ATP結(jié)合三種不同構(gòu)象的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，整體分辨率分別為3.5、3.6和2.8?（圖2）。基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析以及生化分析的結(jié)果，作者提出了ABCD1的底物識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，相關(guān)研究成果以“Structural basis of substrate recognition and translocation by human very long-chain fatty acid transporter ABCD1”為題于2022年06月08日在線發(fā)表在《Nature Communications》上。

結(jié)構(gòu)分析表明，apo-form ABCD1結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)開口 (inward-facing)的構(gòu)象：兩個(gè)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(NBD)彼此分開，兩個(gè)跨膜結(jié)構(gòu)域(TMD)形成一個(gè)朝向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)開放的“V”形底物轉(zhuǎn)運(yùn)通道。結(jié)合了底物超長(zhǎng)鏈脂酰輔酶A (C22:0-CoA)的 ABCD1結(jié)構(gòu)仍然采用inward-facing的構(gòu)象，但是底物的結(jié)合誘導(dǎo)兩個(gè)TMD向ABCD1的二重對(duì)稱軸移動(dòng)，導(dǎo)致兩個(gè)TMD朝向細(xì)胞基質(zhì)的通道變窄，兩個(gè)NBD相互靠近。兩個(gè)底物分子以一種獨(dú)特的結(jié)合模式結(jié)合在兩個(gè)TMD上：每個(gè)C22:0-CoA分子的3'-磷酸-ADP部分結(jié)合在一個(gè)TMD的富含正電荷的極性口袋中，泛巰基乙胺部分跨越兩個(gè)TMD之間的空腔，使得后續(xù)的脂酰基鏈插入到另一個(gè)TMD與過(guò)氧化物酶體膜形成的疏水口袋中。兩個(gè)底物分子以二重對(duì)稱的方式結(jié)合在TMD上，生化分析結(jié)果表明這兩個(gè)底物分子的結(jié)合具有正協(xié)同效應(yīng)，這種效應(yīng)是在ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中第一次被發(fā)現(xiàn)。在結(jié)合了ATP的ABCD1結(jié)構(gòu)中，ATP的結(jié)合導(dǎo)致兩個(gè)NBD發(fā)生二聚化，帶動(dòng)TMD轉(zhuǎn)變?yōu)橄蜻^(guò)氧化物酶體基質(zhì)開放的構(gòu)象(outward-facing)，而跨膜螺旋的重排導(dǎo)致整個(gè)底物結(jié)合口袋被破壞。最終，底物被釋放到過(guò)氧化物酶體基質(zhì)中。該研究不僅為闡明ABCD1的底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，還為研究ABCD1突變導(dǎo)致X-ALD的致病機(jī)理提供了分子模型。

圖2.ABCD1的三維結(jié)構(gòu)及其底物轉(zhuǎn)運(yùn)模型

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳宇星教授、周叢照教授和侯文韜副教授為該論文的共同通訊作者，博士生陳志鵬為該論文的第一作者。冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集工作在中科院北京生物物理研究所和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)集成影像中心完成。該研究得到了科技部、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.nature.com/articles/s41467-022-30974-5

（生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、科研部）