原標題：清華大學顏寧研究組報道人源膽固醇轉運蛋白結構
——揭示其介導膽固醇轉運和埃博拉病毒入侵的分子機制
清華新聞網6月2日電 5月26日，清華大學生命科學學院顏寧研究組與中國疾控中心、中科院微生物所高福院士研究組合作在《細胞》(Cell) 雜志發(fā)表題為《NPC1蛋白介導膽固醇轉運和埃博拉病毒入侵的分子機制》(Structural insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-mediated cholesterol transfer and Ebola infection)的研究論文，首次報道了人源膽固醇轉運蛋白NPC1的4.4埃分辨率冷凍電鏡結構，并通過大量生化分析探討了NPC1和NPC2介導細胞內膽固醇轉運的分子機制；同時報道了NPC1與埃博拉病毒GPcl蛋白復合體6.6埃分辨率的冷凍電鏡結構，為理解NPC1介導埃博拉病毒入侵的分子機制提供了分子基礎。
人源NPC1蛋白(左)及其與埃博拉病毒GPcl蛋白復合體(右)的結構模型。
Niemann-Pick疾病是一類因為脂類代謝失常而導致的罕見遺傳疾病，目前還沒有有效的治療手段。NPC1功能異常是C型Niemann-Pick疾病的主要因素。NPC1蛋白在膽固醇的胞內運輸中發(fā)揮了重要作用。富含膽固醇的低密度脂蛋白（LDL）首先通過細胞膜表面的LDL受體被內吞進入細胞，在內吞體(endosome)或溶酶體(lysosome)中，NPC2小蛋白從LDL中將膽固醇抽提出來，再傳遞給位于膜上的NPC1蛋白，最后NPC1與下游蛋白進一步將膽固醇傳遞到細胞其他部位發(fā)揮生物學功能。如果NPC1發(fā)生突變，導致膽固醇在溶酶體中的異常堆積，就可能導致病人肝臟、腎臟、脾臟甚至腦部的脂類過量積累而造成器官病變。
過去幾年的研究發(fā)現，NPC1除了在細胞內膽固醇轉運過程中發(fā)揮了重要作用，其作為細胞內的埃博拉病毒受體，在埃博拉病毒入侵過程中也起著了不可或缺的重要作用。埃博拉病毒表面的糖蛋白進入溶酶體后會發(fā)生酶切，酶切之后的糖蛋白(GPcl)可以和NPC1蛋白直接相互作用，從而引發(fā)病毒與宿主細胞內的膜融合過程。
人源NPC1是一個全長1278個氨基酸并含有13次跨膜螺旋的膜蛋白，其較小的分子量對于利用電鏡進行結構生物學研究是一個挑戰(zhàn)。在最新的這篇論文中，顏寧研究組的周強博士發(fā)展了新型“隨機相位3D分類”方法，從而將這一并不十分穩(wěn)定的單體膜蛋白結構解析到4.4埃，該方法有望推廣到對于類似生物大分子的結構解析。同時，他們與高福院士課題組合作，解析了NPC1與埃博拉病毒GPcl蛋白復合體6.6埃分辨率的冷凍電鏡結構，揭示了一個NPC1蛋白單體與一個GPcl三聚體通過一個單一界面互相識別。這與2016年初高福研究組解析的GPcl和NPC1的C結構域的晶體結構吻合，從而為進一步研究NPC1介導的埃博拉病毒入侵機制，以及通過破壞這一識別界面而干預這一過程提供了分子基礎。
清華大學醫(yī)學院博士后龔欣，生命學院博士生錢洪武、周芯卉、吳建平以及中科院微生物研究所高福院士課題組的萬濤博士為本文的共同第一作者，生命科學學院顏寧教授和醫(yī)學院副研究員周強博士為本文的共同通訊作者。
顏寧教授一直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，并在近年取得了積極進展。這是繼2015年3月在《細胞研究》(Cell Research)報道裂殖酵母中SREBP通路的SCAP蛋白調控結構域結構(http://www.nature.com/cr/journal/v25/n4/full/
cr201532a.html)，以及2015年7月在《科學》(Science)報道膽固醇感應蛋白Insig在分支桿菌中同源蛋白結構(http://science.sciencemag.org/content/349/6244/187)之后的又一重要成果。高福研究組一直從事重大傳染疾病相關病毒入侵機制的結構生物學研究。兩研究組優(yōu)勢互補、從兩個角度完成對于NPC1蛋白的深入分析。
項目電鏡數據采集于清華大學冷凍電鏡平臺，計算工作得到清華大學超級計算中心支持。本研究項目受到科技部重大科學研究計劃、膜生物學國家重點實驗室、結構生物學高精尖中心、清華-北大生命科學聯合中心、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略重點研究項目、中國科學院院長基金埃博拉病毒研究特別項目的資助。
論文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867416305700
工具箱
