关于膜蛋白结构的长期谜团

离子通道和膜转运蛋白的作用是使离子和小分子穿过细胞膜移动。它们对于代谢和细胞动态平衡以及许多生物信号通路至关重要。

普林斯顿分子生物学系的Shirley M. Tilghman教授Nieng Yan指出：“这两类膜蛋白对我们的健康都极为重要。”这些蛋白质的缺陷也与许多不同的疾病有关。”

要了解特定蛋白质的缺陷为什么会导致疾病，重要的是不仅要了解该蛋白质的功能，而且还要知道它如何执行此功能。研究蛋白质的结构可以使科学家更好地了解其作用机理，但是离子通道和膜转运蛋白的结构长期以来一直笼罩在谜团中。这是因为技术局限性阻止了使用现有技术对这些蛋白质进行高分辨率成像。但是，低温电子显微镜(cryo-EM)的最新改进使包括Yan在内的研究人员能够开始解决各种膜蛋白的问题。

Yan的研究计划起源于普林斯顿大学，当时她是Yigong Shi实验室的一名研究生。

“我参加了一个座谈会，主题演讲者介绍了这种迷人的固醇调节元件结合蛋白或SREBP途径。它是控制脂质，胆固醇和脂肪酸细胞动态平衡的中心枢纽。” Yan说。

这个故事引起了Yan的想象，当她选择一个研究生研究项目时，她决定(“有点天真”，她说)研究了SREBP及其伴游伙伴ER膜蛋白SCAP的复合物。SCAP包含一个称为固醇感应域或SSD的保守区域，该区域与胆固醇和其他固醇结合。

“即使是现在，” Yan笑着说，“我们还没有解决我的第一个项目的结构。尽管如此，这标志着我对这条完整路径的痴迷。由于这个项目太困难了，我开始扩展我的研究计划其他含有SSD结构域的蛋白质。”

她的追求获得了丰厚的回报，该研究于2019年发表，涉及含SSD的人类受体Patched1及其抑制剂Sonic Hedgehog的结构。最近，Yan的小组对C型Niemann-Pick疾病(NPC)的发展所涉及的蛋白质进行了两项研究：NPC1和NPC2。NPC1是晚期内体和溶酶体中发现的一种膜蛋白，其功能是通过膜转运胆固醇。NCP2是一种驻留在内体和晚期溶酶体内的小蛋白质，可为NPC1提供胆固醇。

“胆固醇运输的缺陷会导致毁灭性的疾病，”严说。

有趣的是，NPC1还是埃博拉病毒的细胞受体。在被细胞内吞后，该病毒利用NPC1逃逸出内吞途径，从而可以在细胞的细胞质中复制。在2016年发表在《细胞》杂志上的一项研究中，Yan的实验室使用cryo-EM获得了NPC1的结构，以及与埃博拉表面糖蛋白复合的NPC1的重建。

这项工作之后是《细胞》中的另一项研究，该研究于2020年6月发表，探讨了NPC1和NPC2之间的相互作用。本文介绍了单独的NPC1的高分辨率结构和NPC1-NPC2复合体的结构。它还描述了NPC1内需要进行pH敏感的构象变化，以使胆固醇跨膜传递。形状改变被认为是膜转运蛋白运作的关键，但是大多数蛋白质如何改变形状以执行其功能尚不清楚。

Yan说：“现在我们的目标是制作3D电影，以捕获同一分子机器的不同构象以揭示其工作周期。”

离子通道也会改变形状，以控制带电原子通过通道的流量。在许多通道中，这是由跨膜电压变化引起的。这种电压门控通道一直是Yan的长期兴趣。在她位于中国清华大学的第一个实验室中，Yan和她的学生们解决了电压门控人体钠通道Nav1.7的结构。

“许多动物通过注入毒素使受害者瘫痪来攻击他们的祈祷，而这些毒素的许多目标是电压门控钠通道，”严指出。

此类毒素可通过阻塞通道孔或通过阻止打开通道所需的形状变化来发挥作用。为了对此进行研究，Yan的博士后试图将与不同毒素结合的通道可视化，但无法纯化足够的蛋白质来获得结合毒素的良好图像。在普林斯顿大学开设新实验室后，Yan希望更深入地探讨这个话题。6月，她的小组在PNAS上发表了一篇关于原型细菌电压门控钠通道NaChBac的结构的论文。

Yan解释说：“我们已经有了人工渠道的结构，那么为什么我对NaChBac感到如此兴奋?因为它是一个很好的工具。”

Yan的实验室使用此工具通过使用NaChBac和Nav1.7的一部分制作嵌合通道来解决较早的问题。嵌合体比人类通道更易于大量纯化。这使得可视化结合到通道的狼蛛毒素成为可能，从而洞悉了毒素的作用机理和通道。

现在，Yan有了新的抱负：在响应不同膜电压的情况下通过改变形状来捕获钠通道。这个问题现在可以解决，这要归功于博士后Yimo Han开发的最新技术改进，该技术改进允许捕获称为冷冻EM的脂质体的微小脂质囊泡。

严说：“伊莫是我在普林斯顿大学招募的第一位博士后，她的背景是纳米技术，因此她可以教给我很多东西。”

将不同的离子浓度封装在脂质体内，应该使科学家能够研究离子梯度如何影响嵌入脂质体的离子通道和膜转运蛋白的结构。尽管由于SARS-CoV-2大流行，这项工作目前仍处于暂停状态，但Yan的小组仍渴望从他们离开的地方继续前进。

“我和我的博士后都有很多想法要测试。我们等不及要重新开放实验室。” Yan说。

NPC1和NPC2，NaChBac的结构研究以及本故事中描述的cyro-EM的最新技术经费由以下机构提供：Ara Parseghian医学研究基金会，新泽西州癌症研究理事会，美国国家科学基金会(NSF)- MRSEC计划(DMR-1420541)，自然科学新思想创新基金，SEAS创新研究基金和Shirley M. Tilghman均获得了普林斯顿大学的教授职位。