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科學(xué)家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機(jī)制

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科學(xué)家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機(jī)制

摘要: 　　1月23日，由中國科學(xué)院昆明動物學(xué)習(xí)所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)合作完成的最新學(xué)習(xí)成果，以Structural basis of Ca2+/pH dual regulation of the endolysosomal Ca2+ channel TRPML1 為 ...

　　1月23日，由中國科學(xué)院昆明動物學(xué)習(xí)所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)合作完成的最新學(xué)習(xí)成果，以Structural basis of Ca2+/pH dual regulation of the endolysosomal Ca2+ channel TRPML1 為題在自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學(xué)（Nature Structural  Molecular Biology）上在線發(fā)表。學(xué)習(xí)人員綜合運(yùn)用X射線晶體學(xué)、生物化學(xué)、冷凍電子顯微鏡和電生理等技術(shù)手段，解析了IV型粘脂質(zhì)貯積癥（MLIV）關(guān)鍵蛋白TRPML1的重要結(jié)構(gòu)域的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了生理?xiàng)l件下的理化因素（鈣離子和酸性pH）對TRPML1的調(diào)控機(jī)制以及TRPML1功能失調(diào)和MLIV相關(guān)基因突變的直接相關(guān)性。
　　溶酶體是一種細(xì)胞器，即細(xì)胞內(nèi)的一種超微結(jié)構(gòu)，為單層包被的囊泡，可降解細(xì)胞內(nèi)的各種生物大分子，并為新的生物大分子提供原料，是細(xì)胞的處理與回收系統(tǒng)。溶酶體功能缺陷直接導(dǎo)致生物大分子不能正常降解而在溶酶體中貯積，其結(jié)果是溶酶體隨之發(fā)生腫脹，細(xì)胞也變得臃腫失常，細(xì)胞功能受到嚴(yán)重影響，最終導(dǎo)致疾病，稱為溶酶體貯積癥。MLIV為溶酶體貯積癥的一種，其癥狀表現(xiàn)為智力發(fā)育遲緩、眼功能異常（如視網(wǎng)膜變性，角膜混濁）、鐵和胃酸不足�；加蠱LIV的兒童在一歲時常表現(xiàn)出認(rèn)知、語言和運(yùn)動障礙。學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)瞬時受體電位通道成員TRPML1是MLIV的遺傳致病決定性因素，多達(dá)20余種TRPML1基因突變可導(dǎo)致MLIV。TRPML1主要定位在后期內(nèi)涵體和溶酶體，該通道具有一些非常重要的特征：如受 pH 和Ca2+ （溶酶體內(nèi)pH值約為4.5，含 0.5 mM Ca2+）調(diào)節(jié)，通透Ca2+ 和 Fe2+（溶酶體含高濃度的此類二價離子）等。然而，這些特征的分子和生物物理機(jī)制是否對TRPML1在溶酶體中的生理功能起至關(guān)重要的作用，以及溶酶體貯積癥相關(guān)基因突變所造成的TRPML1功能失調(diào)的分子機(jī)制目前尚不清楚。
　　針對上述問題，昆明動物所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學(xué)和清華大學(xué)合作對TRPML1通道進(jìn)行了深入的結(jié)構(gòu)功能學(xué)習(xí)。為了了解鈣離子和酸性pH對TRPML1調(diào)控的機(jī)制，學(xué)習(xí)人員重點(diǎn)學(xué)習(xí)了該通道第I、II跨膜片段（TM1 和TM2）之間的一個長連接片段I-II linker，此結(jié)構(gòu)域內(nèi)的3種氨基酸點(diǎn)突變均會導(dǎo)致MLIV。他們獲得了I-II linker在三種不同pH值下的晶體結(jié)構(gòu)，這三種pH對應(yīng)于溶酶體、后期內(nèi)涵體和細(xì)胞表面膜的pH值。結(jié)構(gòu)顯示I-II linker為旋轉(zhuǎn)對稱的四聚體，四聚體中央形成一個直徑為14 Å的腔孔（luminal pore），通過由16個氨基酸殘基組成的腔孔環(huán)連接。鈣離子和質(zhì)子作用于此腔孔，從而雙重調(diào)控TRPML1通道活性，符合溶酶體內(nèi)的低pH值和高濃度鈣離子的理化特征。隨后他們使用冷凍電鏡對這一結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，獲得全長TRPML1的胞外域分辨率為5.28Å的結(jié)構(gòu)。此胞外域絕大局部由I-II linker組成，是一個四聚體，且中心有一個很大的孔，這一結(jié)構(gòu)與I-II linker的晶體結(jié)構(gòu)高度吻合，表明I-II linker的片段晶體結(jié)構(gòu)的正確性。此外，MLIV致病突變會改變這一結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)并且導(dǎo)致TRPML1通道蛋白的細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸發(fā)生錯誤。這一學(xué)習(xí)首次為了解TRPML1這一重要蛋白的調(diào)控、組裝、功能以及MLIV致病的分子機(jī)理提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，具有重要的科學(xué)意義，也為MLIV的治療提供了新思路。
　　昆明動物所學(xué)習(xí)員楊建為文章通訊作者，美國哥倫比亞大學(xué)生物科學(xué)系副學(xué)習(xí)員及昆明動物所訪問學(xué)者李明暉和昆明動物所副學(xué)習(xí)員張煒為文章共同第一作者，清華大學(xué)教授李雪明為文章共同作者。該學(xué)習(xí)得到了科技部“973”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、云南省科技廳海外高端人才、云南省高層次人才項(xiàng)目、青年千人計(jì)劃以及美國國立衛(wèi)生學(xué)習(xí)院等多項(xiàng)基金項(xiàng)目的支持。
　　文章鏈接

　　圖a：鈣離子和pH值對TRPML1通道的雙重調(diào)節(jié)。圖b：從膜上方所視的TRPML1通道I-II linker的四聚體結(jié)構(gòu)。圖c：從膜上方所視的I-II linker單體結(jié)構(gòu)。圖d：腔孔環(huán)結(jié)構(gòu)的部分放大，只顯示了三個亞基，最前方的亞基未予顯示以方便觀察。
　　來源:昆明動物學(xué)習(xí)所　　編輯:葉瑞優(yōu)科學(xué)家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機(jī)制  |  責(zé)任編輯：蟲子
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