在人類細胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上合成的約5000種膜蛋白中，超過半數(shù)是多次跨膜蛋白。多次跨膜蛋白在細胞中作為離子通道、轉(zhuǎn)運蛋白、受體蛋白、跨膜酶等，發(fā)揮著重要作用。這些功能多依賴于跨膜結(jié)構(gòu)域的極性和帶電氨基酸，而極性和帶電氨基酸側(cè)鏈通常具有排斥脂質(zhì)的特性，導(dǎo)致其所在跨膜螺旋（TMH）具有較低的疏水性。統(tǒng)計表明，人類蛋白質(zhì)組中約有30%的膜蛋白和超過50%的多次跨膜蛋白含有至少一個極低疏水性的TMH（pTMH）。在多次跨膜蛋白的成熟結(jié)構(gòu)中，pTMH通常被周圍的TMH保護，從而避免與磷脂雙分子層的膜結(jié)構(gòu)直接接觸。然而，pTMH常常難以被轉(zhuǎn)位子直接識別和插入。這些pTMH如何被識別并克服磷脂環(huán)境的疏水性、如何被包裝進入成熟的多次跨膜結(jié)構(gòu)，是相關(guān)領(lǐng)域尚未完全理解的科學(xué)問題。

近日，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張在榮團隊在《分子細胞》（Molecular Cell）上在線發(fā)表了題為AnATP13A1-assisted topogenesis pathway for folding multi-spanning membrane proteins的研究論文，揭示了由pTMH指導(dǎo)的多次跨膜蛋白拓撲結(jié)構(gòu)生成途徑。新生pTMH不能立即摻入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜，而是穿越移位子中央孔進入水溶性內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)，導(dǎo)致下游TMHs以與最終結(jié)構(gòu)相反的錯誤朝向摻入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。合成結(jié)束后，P5-ATPaseATP13A1能識別并糾正“錯誤”的中間體構(gòu)型，使得滯留于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔的pTMH變得可識別，并整合、折疊進近成熟的結(jié)構(gòu)，最終獲得成熟構(gòu)象。

以六次跨膜轉(zhuǎn)運蛋白ABCG2和人類細胞作為實驗?zāi)Ｐ?，研究人員發(fā)現(xiàn)，ABCG2的新生pTMH2可以穿過轉(zhuǎn)位子直接進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，從而產(chǎn)生下游TMHs以錯誤朝向整合入膜的中間體構(gòu)型狀態(tài)。當(dāng)位于羧基端的雙賴氨酸翻譯結(jié)束后，ABCG2的構(gòu)型出現(xiàn)了幾乎全局的拓撲重排過程。進一步研究發(fā)現(xiàn)，ATP13A1能感知這一雙賴氨酸正電信號，當(dāng)雙賴氨酸被突變?yōu)樨撾娀螂娭行园被岷?，ATP13A1與ABCG2突變體的相互作用相較野生型大為減弱。敲除ATP13A1導(dǎo)致細胞內(nèi)大量累積處于折疊中間體狀態(tài)的ABCG2。ATP13A1能夠在多次跨膜蛋白的拓撲結(jié)構(gòu)成熟中發(fā)揮作用，促進了ABCG2中反向插入的TMH6從磷脂雙分子層中解離。暴露在細胞質(zhì)中的TMH6以正確的朝向重新插入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中，從而驅(qū)動上游TMHs的翻譯后拓撲重排。

錯誤朝向的TMHs重排后，這種未成熟中間體能二聚化形成四級結(jié)構(gòu)，可能促進后續(xù)pTMH2與其他跨膜螺旋束的組裝，使pTMH2得以整合到膜中，形成pTMH2被其他TMHs所包圍的最終結(jié)構(gòu)。該研究揭示了功能關(guān)鍵但與脂質(zhì)相斥的pTMH拓撲生成途徑，表明pTMH能引導(dǎo)膜蛋白翻譯后拓撲結(jié)構(gòu)重排，從而避免pTMH折疊時被暴露于疏水磷脂環(huán)境中。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院和上海市科學(xué)技術(shù)委員會的支持。

ATP13A1輔助ABCG2拓撲結(jié)構(gòu)生成的途徑示意圖