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Cell丨胆固醇和鞘磷脂的“探戈”

科界 03月30日

来源:BioArt

撰文:酶美


生命之初,生物膜包裹生命体将之与外界环境区分隔离开来,形成一个自我运行的系统。脂质双分子层和膜蛋白组成了生物膜系统。生物膜系统主要由三类脂质分子构成:磷脂(phospholipid);鞘脂(sphingolipid)和胆固醇(cholesterol)。脂质分子多变的结构,特色各异的生物物理学性质和丰富的组份变化赋予了生物膜各种迥异的身份,提供了膜重塑和膜稳态维持的基础。不同膜系统脂质分子的构成和数量有很大差别;脂质成分的改变,与多种疾病相关。目前,脂类相关的遗传疾病已达到150种之多【1】

生物膜不同脂类分子之间有紧密的相互作用和调控关系,尤以胆固醇和鞘磷脂(sphingomyelin, SM)分子的相互作用被广泛研究【2】。细胞约80%总量的胆固醇分布在细胞膜上,胆固醇的水平被严格调控。胆固醇水平失调是高血压高血脂慢性病的成因之一;多种遗传疾病与胆固醇转运代谢有关,如Niemann-Pick diseases。分子结构上,胆固醇没有脂肪酸长链,而其甾醇片状结构容易插入磷脂分子的脂肪酸长链中。特别是鞘磷脂分子通常具有饱和脂肪酸长链,胆固醇和鞘磷脂分子容易自发形成紧密聚集流动性减少的有序脂分子结构域(lipid-ordered domain,Lo)。而磷脂分子通常含有不饱和脂肪酸链,流动性强熔点低,形成无序脂分子结构域(Ld)【2】。这是脂类分子的液-液相分离(liquid-liquid phase separation)。膜上鞘磷脂分子水平的改变可引起胆固醇水平的相应变化。由于观察手段的限制,胆固醇和鞘磷脂分子在细胞膜上相互作用机制并不十分清楚【3】

近日,美国西南医学中心Radhakrishnan实验室在Cell上发表了题为Molecular Discrimination between Two Conformations of Sphingomyelin in Plasma Membranes的研究论文,展示了质膜上胆固醇和鞘磷脂的动态变化【3】

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该实验室长期着力于开发鉴定检测胆固醇的分子感应器。实验室之前文章中阐述两种细菌毒素:perfringolysin O(PFO)和anthrolysin O能结合膜上自由的胆固醇分子;而无法结合与鞘磷脂(SM)聚集的胆固醇分子【4】。作者推测自然界是否有能细菌毒素能识别和SM聚集的胆固醇分子。通过检索,找到了三个候选蛋白能同时结合鞘磷脂和胆固醇分子。实验证明只有ostreolysin A(OlyA)能特异地识别1:1聚合的鞘磷脂和胆固醇分子。

本篇Cell文章中,研究人员对OlyA蛋白进行了深入的结构和功能解析。在与脂分子共结晶体中,发现了由W28和K99围绕的表面浅沟内有SM分子的神经酰胺(Ceramide)基团电子云密度。进一步进行的氨基酸突变实验发现E69谷氨酸的改变能造成突变蛋白失掉对胆固醇的识别特异性。OlyA(E63A)晶体结构解析发现,第69位Glu->Ala突变使Q5, W28和K99侧链发生剧烈的扭转变化;功能实验显示OlyA(E69A)不仅能结合SM:Cholesterol,还能结合SM单分子,以及SM:Epicholesterol。

但是没有在晶体中找到任何胆固醇相关的结合信息,OlyA怎么识别SM和胆固醇的特异组合呢?OlyA蛋白没有直接结合胆固醇分子,作者推测与胆固醇分子的结合改变了SM分子自身构象,OlyA(WT)蛋白只能识别这一特殊构象的SM分子。OlyA(E69A)突变蛋白则识别其它多种构象的SM分子。分子模拟实验证实了胆固醇分子以间接地方式决定了OlyA蛋白的识别特异性。

本文以详实和深入的结构功能分析为我们展示了脂类分子多变的结构,丰富的动态变化。

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原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867418316568

参考文献

1. Harayama et al., Understanding the Diversity of Membrane Lipid Composition, Nature Reviews Molecular Cell Biology (2018), V19:281

2. Sezgin et al., The Mystery of Membrane Organization: Composition, Regulation and Roles of Lipid Rafts. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2017), V18:361

3. Endapally et al., Molecular Discrimination between Two Conformations of Sphingomyelin in Plasma Membranes, Cell (2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.12.042

4. Das et al., Three Pools of Plasma Membrane Cholesterol and Their Relation to Cholesterol Homeostasis. eLife (2014) 3, e02882.


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