上海有機所交叉中心團隊揭示了一種多次跨膜蛋白的拓撲生成途徑
在人類(lèi)細胞內質(zhì)網(wǎng)膜上合成的約5000種膜蛋白中，超過(guò)半數是多次跨膜蛋白。多次跨膜蛋白在細胞中作為離子通道、轉運蛋白、受體蛋白、跨膜酶等，發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。這些功能多依賴(lài)于跨膜結構域的極性和帶電氨基酸，而極性和帶電氨基酸側鏈通常具有排斥脂質(zhì)的特性，導致其所在跨膜螺旋（TMH）具有較低的疏水性。統計表明，人類(lèi)蛋白質(zhì)組中約有30%的膜蛋白和超過(guò)50%的多次跨膜蛋白含有至少一個(gè)極低疏水性的TMH（poorly hydrophobic TMH, pTMH）。在多次跨膜蛋白的成熟結構中，pTMH通常被周?chē)腡MHs保護，從而避免與磷脂雙分子層的膜結構直接接觸。然而，pTMH常常難以被轉位子（translocon）直接識別和插入。這些pTMHs如何被識別并克服磷脂環(huán)境的疏水性、如何被包裝進(jìn)入成熟的多次跨膜結構，是領(lǐng)域內尚未完全理解的重要科學(xué)問(wèn)題。
近期，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張在榮團隊在?Molecular Cell?期刊在線(xiàn)發(fā)表了題為“AnATP13A1-assisted topogenesis pathway for folding multi-spanning membrane proteins”的研究論文，揭示了一種由pTMH指導的多次跨膜蛋白拓撲結構生成途徑：新生pTMH不能立即摻入內質(zhì)網(wǎng)膜，而是穿越移位子中央孔進(jìn)入水溶性?xún)荣|(zhì)網(wǎng)腔內，由此導致下游TMHs以與最終結構相反的錯誤朝向摻入內質(zhì)網(wǎng)膜。合成結束后，P5-ATPaseATP13A1能識別并糾正“錯誤”的中間體構型，使得滯留于內質(zhì)網(wǎng)腔的pTMH變得可識別、并整合、折疊進(jìn)近成熟的結構，最終獲得成熟構象（圖1）。
圖1. ATP13A1輔助ABCG2拓撲結構生成的途徑示意圖
以六次跨膜轉運蛋白ABCG2和人類(lèi)細胞作為實(shí)驗模型，研究人員發(fā)現，ABCG2的新生pTMH2可以穿過(guò)轉位子直接進(jìn)入內質(zhì)網(wǎng)腔，從而產(chǎn)生了一個(gè)下游TMHs以錯誤朝向整合入膜的中間體構型狀態(tài)。當位于羧基端的雙賴(lài)氨酸翻譯結束后，ABCG2的構型出現了幾乎全局的拓撲重排過(guò)程。進(jìn)一步研究發(fā)現，ATP13A1能感知這一雙賴(lài)氨酸正電信號，當雙賴(lài)氨酸被突變?yōu)樨撾娀螂娭行园被岷?，ATP13A1與ABCG2突變體的相互作用相較野生型大為減弱。敲除ATP13A1導致細胞內大量累積處于折疊中間體狀態(tài)的ABCG2。ATP13A1能夠在多次跨膜蛋白的拓撲結構成熟中發(fā)揮作用，其促進(jìn)了ABCG2中反向插入的TMH6從磷脂雙分子層中解離，隨后，暴露在細胞質(zhì)中的TMH6以正確的朝向重新插入內質(zhì)網(wǎng)膜中，從而驅動(dòng)上游TMHs的翻譯后拓撲重排。
錯誤朝向的TMHs重排后，這種未成熟中間體能二聚化形成四級結構，可能促進(jìn)了后續pTMH2與其它跨膜螺旋束的組裝，使pTMH2得以整合到膜中，形成pTMH2被其它TMHs所包圍的最終結構。這項研究揭示了功能關(guān)鍵但與脂質(zhì)相斥的pTMH拓撲生成途徑，解釋了在其通過(guò)指導拓撲重排、從而避免在折疊時(shí)被過(guò)度暴露于脂質(zhì)環(huán)境中。
中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張在榮研究員為本文通訊作者，博士生吉嘉、崔夢(mèng)珂為共同第一作者。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、中國科學(xué)院和上海市科委的支持。
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