南科大龚欣课题组在ABCA蛋白结构和转运机制模型领域的研究进展

2023-04-13 16:45:38 - 市场资讯

转自：北京义翘神州

研究背景

ABC转运蛋白（ATP-bindingcassettetransporter）是一类ATP驱动泵，在人类基因组已发现48种，分为7个亚家族（A-G）。ABC转运蛋白由两个跨膜结构域（TMD）和两个胞质侧ATP结合域（NBD）组成。TMD通过构象变化实现分子跨膜转运，NBD结合或水解胞浆中的ATP，确保转运底物所需能量。而在ABCA亚家族中特有的结构是胞外结构域（ECD）和调控结构域（RD），尚未在其他亚家族中发现。

南方科技大学龚欣课题组致力于研究ABCA亚家族相关蛋白的三维结构和转运机制。2017年，龚欣老师作为颜宁教授课题组成员，在Cell杂志首次报道了ABCA1近原子分辨率的冷冻电镜结构。近年来龚欣课题组陆续解析了ABCA3、ABCA4的冷冻电镜结构及转运机制模型。

ABCA3主要定位于肺泡II型（AT2）细胞内的层状体（LBs）。肺表面活性剂能够降低肺泡表面张力，维持正常呼吸。ABCA3参与表面活性剂的生成，其突变会导致表面活性剂缺陷，引发严重的肺部疾病，如新生儿呼吸窘迫综合征、间质性肺炎等。目前还没有治疗ABCA3突变引起的遗传性疾病药物。

ABCA4基因只编码视网膜上特定的ABC转运体，ABCA4蛋白几乎只存在于视网膜的视杆细胞的外节盘缘上。现有研究表明ABCA4作为翻转酶，可以将磷脂酰乙醇胺（PE）和全反式视黄醛（ATR）形成的脂质衍生物—视黄基磷脂酰乙醇胺（NRPE），从外节膜盘的腔内侧转运到细胞质侧，通过促进NRPE的转移，进而促进视网膜再生和生成维生素A。

ABCA4存在于视网膜细胞上，属于脂质内向翻转酶，可将NRPE从外节膜盘的腔内侧转运到细胞质侧。ABCA4的脂质转运功能受损，会使得全反式视黄醛ATR和NRPE在外节膜盘的腔内侧发生过量积累，引起视网膜退行性疾病，如常见的遗传性黄斑变性疾病、年龄相关的黄斑变性、色素性视网膜炎和锥杆营养不良等。尽管ABCA4在视觉系统脂质转运、视循环过程中起着至关重要的作用，但此前对于ABCA4的分子结构、底物识别和转运机制还缺乏相应的研究。

研究内容

在本研究中，研究人员通过体外重组表达和纯化获得ABCA3蛋白、ABCA4蛋白，测定ABCA3、ABCA4各自的ATP酶活性和相应的酶动力学参数，纯化后的蛋白存在与先前报道一致的蛋白切割和糖基化修饰，均表现出强大的ATP酶活性。研究人员通过冷冻电镜技术，确定ABCA3、ABCA4分别在apo状态、结合ATP时的三维结构。

01：ABCA3、ABCA4的结构

ABCA3与ABCA4结构基本相似，两者最大区别是ECD结构域的差异。研究发现，ABCA3的ECD只覆盖碱基的核心区域，ABCA4的ECD结构相对较大，可分为盖层、隧道层和基底层三层，并且其中一个ECD中存在一个扩展环用于底物结合。

南科大龚欣课题组在ABCA蛋白结构和转运机制模型领域的研究进展

02：ABCA4的底物识别

ABCA4对底物NRPE的识别进一步说明TMD存在底物结合位点。ABCA4的底物NRPE被夹两个TMD之间，但完全暴露在脂质双分子层中，表明脂质底物从管腔膜小叶侧向进入跨膜区的底物结合位点。当存在PE时ATR可刺激ABCA4的ATP酶活性，在与NRPE底物的复合物结构中，观察到NRPE结合位点的准确性。

03：TMD在ABCA3、ABCA4中的构象

TMD区域内存在“侧向通道”，2个侧向空腔可作为底物结合位点。本研究验证了基质从膜内小叶进入的“侧向通道”机制。在无核苷酸状态下，ABCA3的TMDs表现出与ABCA4和ABCA1无核苷酸时相似的侧向开放构象，允许脂质底物从2个膜小叶中侧向进入TMD。TMD内2个带正电荷的侧向空腔可以作为潜在的底物结合位点，而填充在2个TMD之间空腔中的脂质分子维持着TMD在这种侧向开放构象中的稳定性，同时证明侧向开放构象是依赖ATP的结合。

04：ABCA转运机制模型

ABCA3、ABCA4的构象在结合ATP前后发生相似的变化，通过“侧向进入和挤压”机制转运脂质分子。当无ATP和底物存在时，TMD表现出V型横向开放构象，允许NRPE从腔膜小叶横向进入，识别并结合底物。当结合ATP后，NBD二聚化，TMD的V型侧向开放构象伴变成封闭构象，无法与底物结合，将脂质底物挤压过膜，实现脂质底物的跨膜翻转。

南科大龚欣课题组在ABCA蛋白结构和转运机制模型领域的研究进展

研究结论

本研究通过冷冻电镜解析ABCA3、ABCA4在不同转运状态下的高分辨率三维结构，以及ATP驱动脂质底物转运过程中的构象变化，揭示ABCA3、ABCA4对脂质底物独特的“侧向进入和挤压”的转运机制，为ABCA3、ABCA4的功能研究以及相关疾病的药物研发提供重要的结构基础，也为阐明ABCA转运蛋白底物识别和转运机制提供新方向。

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