2017年6月8日，清華大學生命學院、結構生物學高精尖創新中心顏寧研究組在《細胞》(Cell)雜志在線發表了題為《人源脂類外向轉運蛋白ABCA1的結構》（Structure of the Human Lipid Exporter ABCA1）的研究論文，首次報道了膽固醇逆向運輸過程中的關鍵蛋白ABCA1近原子分辨率的冷凍電鏡結構，為理解其作用機制及相關疾病致病機理奠定了重要基礎。

膽固醇廣泛地存在于高等動物的各類組織細胞當中，它不僅是細胞膜、血漿脂蛋白的重要組成部分，也是包括膽酸、維生素D、類固醇激素在內的許多特殊生物活性分子的前體化合物。但是，人體內過量的膽固醇積累會促進血管動脈粥樣硬化的發生和發展，并有可能導致嚴重的心腦血管疾病（如冠心病及中風等）。正因為膽固醇對于人體健康具有兩面性，所以細胞內的膽固醇平衡(cholesterol homeostasis)對于維持人體的健康是必須的。細胞內的膽固醇平衡涉及一系列受嚴格調控的過程(圖1)，例如低密度脂蛋白受體介導的膽固醇攝取、以乙酰輔酶A為原料的膽固醇合成、SREBP/SCAP/Insig信號通路介導的膽固醇代謝轉錄調控、NPC1/NPC2介導的膽固醇胞內轉運、ABCA1/ABCG1介導的膽固醇逆向運輸(reverse cholesterol transport)等。

顏寧教授研究組一直以來都在針對膽固醇代謝調控通路進行系統的結構生物學與生物化學研究，在近年開始取得進展。她們相繼解析了膽固醇感應蛋白Insig在分枝桿菌中同源蛋白的晶體結構（Ren et al., Science, 2015)；裂殖酵母SREBP、SCAP各自C端可溶結構域的晶體結構以及可溶結構域復合體的冷凍電鏡結構(Gong et al., Cell Research, 2015; Gong et al., Cell Research, 2016)；人源膽固醇胞內轉運蛋白NPC1的冷凍電鏡結構(Gong et al., Cell, 2016)。

圖1. 細胞內膽固醇平衡的整體示意圖

(圖片來源：《Methods in Molecular Biology》)

膽固醇逆向運輸是指將肝外組織細胞內的膽固醇通過血液循環轉運回到肝臟，在肝臟中進行代謝轉化再排出體外的過程。膽固醇逆向運輸可以通過將過量的膽固醇從動脈血管壁細胞排出體外來阻止泡沫細胞的形成，從而抑制動脈粥樣硬化的發生和發展。膽固醇逆向運輸過程的第一步是ABCA1將包括磷脂和膽固醇在內的脂類向細胞外運輸，然后與細胞外的脂類受體載脂蛋白A-I(apolipoprotein A-I, apoA-I)結合從而形成初生高密度脂蛋白(nascent HDL)。高密度脂蛋白HDL被認為是對人體有益的，脂類的外排和與apoA-I的結合是HDL形成的限速步。之前的研究還發現，人體中的ABCA1突變會導致HDL缺乏癥，包括丹吉爾病(Tangier disease)和家族性HDL缺乏癥(familial HDL deficiency)。雖然ABCA1作為膽固醇逆向運輸過程中的關鍵蛋白，同時在動脈粥樣硬化等疾病的發生和發展過程中具有關鍵性的作用，但是目前對于ABCA1的結構及其介導的脂類外向轉運和初生HDL形成的機制大部分都是未知的。

在最新的《細胞》論文中，來自清華大學的科研人員首次解析了人源ABCA1全長蛋白的近原子分辨率冷凍電鏡結構，其中整體結構為4.1埃，關鍵的胞外區結構域為3.9埃。ABCA1屬于ABC (ATP-binding cassette)超家族，這是第一個ABCA亞家族的高分辨率結構，結構顯示它具有非常特別的胞外區結構域。雖然ABCA1的核酸結合結構域(nucleotide-binding domain, NBD)處于未結合核酸的狀態，但是它的跨膜區卻意外的處于“向外開放”(“outward-facing”)的狀態，而以前報道的所有ABC外向轉運蛋白在未結合核酸時都處于向內開放(inward-facing)的狀態。ABCA1的胞外區形成了一個非常獨特的結構，其中包含了一個長的疏水孔道(elongated hydrophobic tunnel)，為進一步的功能研究提供了非常關鍵的線索。ABCA1的高分辨率結構，也為理解之前大量疾病突變的致病機制提供了重要基礎。最后基于結構分析，她們針對ABCA1介導的磷脂外向轉運提出了一個側向進入(lateral access)的轉運模型，這個模型不同于以往絕大部分主動轉運蛋白和次級轉運蛋白所采取的交替轉運(alternating access)模型。在交替轉運模型中，轉運蛋白的跨膜區在轉運過程中需要交替的呈現向內開放和向外開放的形式，從而實現將底物從膜的一側向另一側轉運；然而在ABCA1的側向進入模型中，跨膜區即使在“向外開放”的情況下，底物依然可以從細胞膜的內葉(inner leaflet)側向進入跨膜區的底物結合口袋，因此ABCA1在轉運過程中可能不存在一個“向內開放”的狀態(圖2)。總的來說，ABCA1結構的解析不僅為理解其作用機制及相關疾病致病機理奠定了重要基礎，同時也豐富了我們對跨膜轉運蛋白工作機理的理解。

圖2. 人源ABCA1蛋白的結構模型及其介導磷脂外向轉運和初生HDL形成的示意圖

CLS項目13級博士生錢洪武和結構生物學高精尖創新中心卓越學者龔欣博士(醫學院博士后)為本文的共同第一作者，顏寧教授和龔欣博士為本文的共同通訊作者。CLS項目16級博士生趙馨和醫學院15級博士生曹平平也參與了該項課題研究。本研究獲得了清華大學冷凍電鏡平臺雷建林博士、李小梅和李曉敏的大力支持。國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平臺和清華大學高性能計算平臺分別為本研究的數據收集和數據處理提供了支持。科技部、基金委、生命科學聯合中心-清華大學、生物膜與膜生物工程國家重點實驗室、北京市結構生物學高精尖創新中心為本研究提供了經費支持。

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