Nat Commun | 龚欣团队揭示视觉系统关键脂质转运蛋白ABCA4的底物识别和转运机制

ABCA4是视网膜感光细胞或视网膜色素上皮细胞中的脂质内向翻转酶，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。随后，NRPE会水解为ATR和PE，其中的 ATR会被细胞质内的视黄醛还原酶催化形成全反式视黄醇 (ATRol)，从而重新回到视循环。如果ABCA4的脂质转运功能受损，会使得ATR和NRPE在外节膜盘的腔内侧发生过量积累，过量积累的ATR和NRPE会进一步不可逆的形成具有毒性的双视黄基衍生物，最终引起一系列的视网膜退行性疾病，包括最为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。

2021年 6月22日，南方科技大学生命科学学院生物系龚欣课题组在Nature Communications在线发表了题为 Structural basis of substrate recognition and translocation by human ABCA4 的研究论文。该研究报道了视觉系统关键脂质转运蛋白ABCA4三种不同状态的原子分辨率冷冻电镜结构，展示了ABCA4与底物的特异性识别机制，以及ATP驱动脂质底物转运过程中的构象变化，揭示了ABCA4对脂质底物独特的“侧向进入和挤压”的转运机制。

该研究首先通过体外重组表达、纯化的方法获得了人源ABCA4的蛋白，并在体外测得了ABCA4的ATPase活性和相应的酶动力学参数。随后，利用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了人源ABCA4处于三种不同状态3.3–3.4 Å分辨率的三维结构，分别是apo、结合底物NRPE、以及结合ATP的结构 (图1)。

图1. 人源ABCA4处于apo、结合NRPE以及结合ATP状态的结构

在与NRPE底物的复合物结构中，NRPE被夹在ABCA4两个跨膜结构域 (TMD1和TMD2) 之间，完全暴露于脂质双分子层，表明脂质底物NRPE可以从脂质双分子层的侧向进入跨膜区的底物结合位点 (图2a, b)。NRPE的磷酸基团主要由TMD1和胞外区结构域ECD1中两个带正电荷的Arg的侧链识别，酰基链与TMD1形成了广泛的疏水相互作用，ATR基团主要与ECD1中S-loop上的四个芳香族残基形成疏水相互作用 (图2c)。该研究进一步通过ATR可以激活ABCA4体外ATPase水解活性的特点，证明了从结构上观察到的NRPE结合位点的准确性 (图2d)。

图2. NRPE底物结合位点

在与ATP的复合物结构中，跨膜区TMD呈现出关闭的构象，在该构象下，NRPE被挤出底物结合位点 (图1)。基于解析的三个高分辨结构，该研究最后提出了ABCA4对底物NRPE的转运模型 (图3)。在apo状态下，TMD呈现V形横向开口构象，允许NRPE从脂质双分子层的侧向进入 (state 1)。NRPE与TMD1和ECD1中的两个带正电荷的Arg残基相互作用，并进一步与TMD1和ECD1上的S-loop形成广泛的疏水相互作用 (state2)。在与ATP结合后，伴随着ATP诱导的核酸结合结构域NBD的闭合，TMD发生构象变化并关闭，将NRPE挤出底物结合位点并翻转至脂质双分子层另一侧 (state3)。该研究为ABCA4的功能研究以及针对相关疾病的药物研发提供了重要的结构基础，也为阐明ABCA转运蛋白底物识别和转运机制提供了新见解。

图3. ABCA4介导的NRPE识别和转运的工作模型

南科大生物系为该论文的唯一单位，龚欣副教授为该论文的通讯作者，团队研究副教授谢田、2019级硕士研究生张子珂为本论文的共同第一作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24194-6

此外，龚欣课题组长期招收博士后 (或者研究序列助理教授)、科研助理、硕博研究生，欢迎对脂质代谢和膜蛋白结构生物学感兴趣的有志青年加入课题组。课题组PI简介：龚欣副教授博士毕业于清华大学，先后在清华大学、普林斯顿大学从事博士后研究工作。以通讯或者共同通讯作者身份在Cell、Nature Structural & Molecular Biology（封面文章）、Nature Communications等期刊发表多篇研究成果。自2019年初加入南方科技大学以来，先后获得广东省杰青（2019年）、国自然重大研究计划-培育项目（2020年）、深圳市优青（2021年）等项目支持。多次受邀担任欧洲研究理事会（ERC）、香港研究资助局（RGC）、捷克科学基金会（GACR）等机构的基金评审专家，多次担任Nature Communications、Science Advances、eLife等期刊的审稿人。

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制版人：十一

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