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科学家解密溶酶体相关疾病关键蛋白调控机制

2017.2.03

　　1月23日，由中国科学院昆明动物研究所离子通道药物研发中心、美国哥伦比亚大学和清华大学合作完成的最新研究成果，以Structural basis of Ca²⁺/pH dual regulation of the endolysosomal Ca²⁺ channel TRPML1 为题在《自然-结构与分子生物学》（Nature Structural & Molecular Biology）上在线发表。研究人员综合运用X射线晶体学、生物化学、冷冻电子显微镜和电生理等技术手段，解析了IV型粘脂质贮积症（MLIV）关键蛋白TRPML1的重要结构域的高分辨率三维结构，揭示了生理条件下的理化因素（钙离子和酸性pH）对TRPML1的调控机制以及TRPML1功能失调和MLIV相关基因突变的直接相关性。

　　溶酶体是一种细胞器，即细胞内的一种超微结构，为单层包被的囊泡，可降解细胞内的各种生物大分子，并为新的生物大分子提供原料，是细胞的处理与回收系统。溶酶体功能缺陷直接导致生物大分子不能正常降解而在溶酶体中贮积，其结果是溶酶体随之发生肿胀，细胞也变得臃肿失常，细胞功能受到严重影响，最终导致疾病，称为溶酶体贮积症。MLIV为溶酶体贮积症的一种，其症状表现为智力发育迟缓、眼功能异常（如视网膜变性，角膜混浊）、铁和胃酸缺乏。患有MLIV的儿童在一岁时常表现出认知、语言和运动障碍。研究发现瞬时受体电位通道成员TRPML1是MLIV的遗传致病决定性因素，多达20余种TRPML1基因突变可导致MLIV。TRPML1主要定位在后期内涵体和溶酶体，该通道具有一些非常重要的特征：如受 pH 和Ca²⁺ （溶酶体内pH值约为4.5，含 0.5 mM Ca²⁺）调节，通透Ca²⁺和 Fe²⁺（溶酶体含高浓度的此类二价离子）等。然而，这些特征的分子和生物物理机制是否对TRPML1在溶酶体中的生理功能起至关重要的作用，以及溶酶体贮积症相关基因突变所造成的TRPML1功能失调的分子机制目前尚不清楚。

　　针对上述问题，昆明动物所离子通道药物研发中心、美国哥伦比亚大学和清华大学合作对TRPML1通道进行了深入的结构功能研究。为了了解钙离子和酸性pH对TRPML1调控的机制，研究人员重点研究了该通道第I、II跨膜片段（TM1 和TM2）之间的一个长连接片段I-II linker，此结构域内的3种氨基酸点突变均会导致MLIV。他们获得了I-II linker在三种不同pH值下的晶体结构，这三种pH对应于溶酶体、后期内涵体和细胞表面膜的pH值。结构显示I-II linker为旋转对称的四聚体，四聚体中央形成一个直径为14 Å的腔孔（luminal pore），通过由16个氨基酸残基组成的腔孔环连接。钙离子和质子作用于此腔孔，从而双重调控TRPML1通道活性，符合溶酶体内的低pH值和高浓度钙离子的理化特征。随后他们使用冷冻电镜对这一结构进行进一步验证，获得全长TRPML1的胞外域分辨率为5.28Å的结构。此胞外域绝大部分由I-II linker组成，是一个四聚体，且中心有一个很大的孔，这一结构与I-II linker的晶体结构高度吻合，表明I-II linker的片段晶体结构的正确性。此外，MLIV致病突变会改变这一结构域的结构并且导致TRPML1通道蛋白的细胞内运输发生错误。这一研究首次为了解TRPML1这一重要蛋白的调控、组装、功能以及MLIV致病的分子机理提供了结构基础，具有重要的科学意义，也为MLIV的治疗提供了新思路。

　　昆明动物所研究员杨建为文章通讯作者，美国哥伦比亚大学生物科学系副研究员及昆明动物所访问学者李明晖和昆明动物所副研究员张炜为文章共同第一作者，清华大学教授李雪明为文章共同作者。该研究得到了科技部“973”项目、国家自然科学基金面上项目、云南省科技厅海外高端人才、云南省高层次人才项目、青年千人计划以及美国国立卫生研究院等多项基金项目的支持。