在人類細(xì)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(xì)胞中作為離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)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(jì)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(gè)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(hù)，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(shí)別和插入。這些pTMH如何被識(shí)別并克服磷脂環(huán)境的疏水性、如何被包裝進(jìn)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(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所生物與化學(xué)交叉研究中心張?jiān)跇s團(tuán)隊(duì)在《分子細(xì)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?fù)浣Y(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(jìn)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(cuò)誤朝向摻入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜。合成結(jié)束后，P5-ATPaseATP13A1能識(shí)別并糾正“錯(cuò)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(shí)別，并整合、折疊進(jìn)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(yùn)蛋白ABCG2和人類細(xì)胞作為實(shí)驗(yàn)?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(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔，從而產(chǎn)生下游TMHs以錯(cuò)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?fù)渲嘏胚^程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，ATP13A1能感知這一雙賴氨酸正電信號(hào)，當(dāng)雙賴氨酸被突變?yōu)樨?fù)電或電中性氨基酸后，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(xì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)成熟中發(fā)揮作用，促進(jìn)了ABCG2中反向插入的TMH6從磷脂雙分子層中解離。暴露在細(xì)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(dòng)上游TMHs的翻譯后拓?fù)渲嘏拧?/p>

錯(cuò)誤朝向的TMHs重排后，這種未成熟中間體能二聚化形成四級(jí)結(jié)構(gòu)，可能促進(jìn)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?fù)渖赏緩?，表明pTMH能引導(dǎo)膜蛋白翻譯后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重排，從而避免pTMH折疊時(shí)被暴露于疏水磷脂環(huán)境中。

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

ATP13A1輔助ABCG2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成的途徑示意圖