南科大龚欣团队揭示呼吸系统关键脂质转运蛋白的结构和转运机制
2022年04月12日 科研新闻 浏览量 :

近日,南方科技大学生命科学学院副教授龚欣课题组在Science Advances在线发表了题为“Cryo-EM structures of the human surfactant lipid transporter ABCA3”的研究论文,针对呼吸系统中的关键脂质转运蛋白ABCA3展开了深入研究,首次解析了人源ABCA3在不同转运状态下的高分辨率三维结构,揭示了ABCA亚家族蛋白针对脂质底物保守的跨膜转运机制。

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肺表面活性剂由大约90%的脂质和10%的蛋白质组成,通常由肺泡II型(AT2)上皮细胞分泌,主要作用是降低肺泡表面张力,以防肺泡塌陷,从而维持正常呼吸(如图1A)。ABCA3主要定位于AT2细胞内的层状体(LBs),通过将表面活性剂脂质分子转运到LBs中,从而参与表面活性剂的生成(图1A)。ABCA3基因的突变会导致表面活性剂缺陷,从而引发严重的肺部疾病,例如新生儿呼吸窘迫综合征、间质性肺炎等。迄今为止,还没有针对由 ABCA3 突变引起的遗传性疾病的特定疗法。之前的研究结果还表明,ABCA3在成熟过程中,会在其胞外区结构域(ECD1)发生蛋白酶介导的切割,但是该切割事件的目的尚不清楚(图1B)。尽管ABCA3在生理学和病理学中作用关键,但目前仍缺乏ABCA3的体外生化和结构表征的研究。

在本研究中,研究人员首先通过体外重组表达、纯化的方法获得了人源ABCA3蛋白,并在体外测定了ABCA3的ATPase活性和相应的酶动力学参数(图1C),纯化的ABCA3蛋白存在与先前报道一致的蛋白切割和糖基化修饰(图1D, E)。研究人员还使用了一种获得ABCA3蛋白裂解前(未切割)和裂解后(完全切割)状态的策略,并利用生化研究证明该蛋白裂解对ABCA3的体外ATPase活性无显著影响(图1F, G)。

随后研究人员利用单颗粒冷冻电镜技术,成功解析了人源ABCA3蛋白分别在apo和ATP-bound状态下的冷冻电镜结构,分辨率均为3.3Å(图2)。这些结构揭示,跨膜区(TMD)内两个带正电荷的侧向空腔可以作为潜在的底物结合位点,通过进一步的结构分析和突变体实验,阐明了ABCA3依赖于ATP结合的构象变化,并提示了其参与脂质跨膜转运可能的模型(图3)。这些研究成果能够帮助我们更好理解ABCA3疾病突变的致病机制。虽然ABCA3是外向转运蛋白(exporter),而ABCA4是内向转运蛋白(importer),但是它们针对脂质底物跨膜转运的模型非常相似(图3)。这些结果表明,ABCA亚家族蛋白很有可能采取了保守的“侧向进入和挤压”的转运模型实现脂质底物的跨膜翻转,但是不同蛋白相反翻转方向的分子机制还有待进一步研究。

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图1. 人源ABCA3的生化性质表征

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图2. 人源ABCA3处于两种不同构象的三维结构


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图3. ABCA脂质转运蛋白的工作模型

该成果是龚欣副教授继2017年在Cell发表ABCA1 的结构和2021年在Nature Communications 发表ABCA4结构之后,针对ABCA脂质转运蛋白亚家族取得的又一项重要进展。龚欣课题组研究副教授谢田、南科大2019级硕博连读生张子珂、博士后岳剑为论文共同第一作者,龚欣为论文通讯作者,南科大是论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金、广东省杰出青年基金、深圳市优秀青年基金等项目的资助。该研究中电镜数据的收集和处理,均在南科大冷冻电镜中心完成,得到了该中心的大力支持。

 

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn3727 

供稿:生命科学学院

通讯员:付文卿

主图:丘妍

编辑:朱增光


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