陈晓伟团队鉴定领域长期探寻的磷脂翻转酶

磷脂双层膜是生命的核心特征之一,从细胞层面上界定了“非我“和”自我“、并保护着后者。因此,细胞起源的假说之一就认为:磷脂双层膜包裹、隔绝了少许溶液和溶质,从而产生了第一个细胞。

磷脂双层膜的功能核心是具有油、水双亲性的磷脂分子,它们“肩并肩”的排列成为脂层(leaflet),进而两个脂层相对排布构成双层膜(bilayer)。磷脂膜的理化性质和生物功能,决定了组建它的磷脂分子无法在两个脂层之间自由翻转。然而,这种trans-bilayer的磷脂运输,对生命活动又至关重要。譬如磷脂的合成集中于细胞的内质网的膜上,但仅发生于细胞质一侧的单脂层(cytosolic leaflet),故磷脂必须翻转至另一侧方可产生完整的双层膜。有趣的是,尽管生物膜发生中存在磷脂翻转因子这一猜想在近半世纪前即被提出,但该因子长期未能被发现,更罔论其生理、病理功能。

除了生物膜的发生这一基础过程,磷脂的跨膜转运也是多种重要生物学现象的根本;其中最具特点的,乃是血脂运输中对磷脂的高度依赖和大量利用。北京大学陈晓伟团队长期关注血脂运输这一基础研究与临床医学高度交叉的方向,在近期报道了特异介导脂蛋白运输的“分泌受体”SURF4及其开启的血脂运输通路。SURF4基因在人群中的表达和血脂水平高度关联;仅在动物肝脏中失活SURF4即可定量降低血脂直至清零,从而完全防止动脉粥样硬化等心血管疾病的发生。(Receptor-mediated ER exit of lipoproteins controls lipid homeostasis in mice and humans, Cell Metabolism 2021a)。在此基础上,该团队进一步纯化并鉴定了SURF4组建的功能复合体,发现其中的TMEM41B为领域内长期寻找的磷脂翻转酶,并揭示了其定位于细胞内质网的特定区域、发挥produce-and-protect功能的分子机制,进而提出了“脂层不平衡反应”的新颖概念。(TMEM41B acts as an ER lipid scramblase required for lipoprotein biogenesis and lipid homeostasis,Cell Metabolism 2021b)

脂质(包括甘油三脂、胆固醇等)运输需要以脂蛋白的形式进行。脂蛋白在肝脏或小肠的内质网腔中合成,进而被分泌入血液。脂蛋白的组装需要从内质网腔一侧获得大量的磷脂作为包被,故而肝脏和小肠中都存在着组织特异的磷脂合成通路,在细胞质一侧旺盛的产生磷脂;两相叠加,故而脂蛋白的合成和运输可以被认为是磷脂翻转因子发挥作用的绝佳舞台。

陈晓伟团队先期发现,脂蛋白的分泌受体SURF4组装了一个功能复合体、存在着多个亟待研究的新颖跨膜蛋白。其中的TMEM41B,可与SURF4及脂蛋白形成特异的三元复合体,并在内质网和高尔基体间穿梭,而在肝脏中失活TMEM41B可导致小鼠的血脂清零。

TMEM41B此前在全基因组筛选中被发现为自噬所需基因、及冠状病毒感染的关键宿主基因,结合其在血脂运输中的重要功能,该蛋白的分子身份愈发成谜。作者首先从宏观的代谢调控得到了启发:自噬属于分解代谢、而脂蛋白是合成代谢的产物,这两大代谢过程此消彼长,却都需要获取磷脂这一根本组分用于包被。巧合的是,TMEM41B在三维构象上与已有高清结构的ECF复合体的S亚基高度相似,同源建模后发现其存在一个被正电覆盖的孔道,或可容纳呈负电的磷脂分子。无独有偶,内质网和高尔基体虽然功能迥异,但脂蛋白在这两个细胞器之内都不断进行中性脂质及磷脂的补充、且需跨双层膜获取。

上述的思维实验,启发了作者猜测TMEM41B可能为领域中长期寻找的磷脂翻转因子。基于此想法,作者首先利用经典的体外酶活实验,证明了TMEM41B可以高效且不依赖ATP的跨膜翻转磷脂;进而设计了基于化学生物学的细胞实验,证明了TMEM41B缺失导致磷脂在内质网的单侧脂层堆积;更进一步借助小鼠epistasis遗传实验,证明了肝脏中TMEM41B在脂蛋白发生中特异且不可或缺的功能。上述的生化、细胞、动物实验相互印证,共同揭示了TMEM41B是内质网上关键的磷脂翻转酶。

在揭示TMEM41B分子身份的同时,作者同时发现其缺失导致了惊人的代谢病变:普通饲料喂养的TMEM41B缺失小鼠在2-4周内即可产生严重的脂肪肝并发展为NASH(通常需高脂饲料诱导近一年),提示了未知应激通路的开启。作者进而借助Cryo-ET及数学建模的方法,发现肝脏内质网膜发生了严重卷曲、产生了高度不对称的脂层;上述的变化导致了SREBP/SCAP从内质网逃逸和激活,从而在脂质分泌受阻的同时又不受抑制的开启脂质合成;虽然TMEM41B的下调广泛的存在于肥胖的小鼠、恒河猴和脂肪肝患者中,但其缺失导致的病变并不激活内质网未折叠蛋白反应(unfolded protein response, UPR),提示了生物膜的合成缺陷或损伤可作为独立的应激通路,形成 “脂层不平衡反应”(leaflet imbalance response)。

值得一提的是,近期的全基因组筛选也发现TMEM41B为新冠病毒的关键宿主基因(Cell 2021)。因此,上述研究既回答了一个基础生物学中的long-standing question,也有望开启此前未知的细胞应激领域,并为代谢及传染疾病的防治提供了新的理论依据。北京大学未来技术学院分子医学研究所的博士生黄东、许柏林、刘璐为该研究的共同第一作者,陈晓伟为通讯作者;清华大学李蓬教授及复旦大学陈丰荣研究员对数学建模提供了关键的支持;电镜实验有赖NIBS及北大生科院电镜平台的技术支撑。该项目得到了科技部重点研发计划、自然科学基金委重大研究计划、及北大-清华生命科学中心的支持。


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