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科學家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機制

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科學家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機制

摘要: 　　1月23日，由中國科學院昆明動物學習所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學和清華大學合作完成的最新學習成果，以Structural basis of Ca2+/pH dual regulation of the endolysosomal Ca2+ channel TRPML1 為 ...

　　1月23日，由中國科學院昆明動物學習所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學和清華大學合作完成的最新學習成果，以Structural basis of Ca2+/pH dual regulation of the endolysosomal Ca2+ channel TRPML1 為題在自然-結(jié)構(gòu)與分子生物學（Nature Structural  Molecular Biology）上在線發(fā)表。學習人員綜合運用X射線晶體學、生物化學、冷凍電子顯微鏡和電生理等技術(shù)手段，解析了IV型粘脂質(zhì)貯積癥（MLIV）關(guān)鍵蛋白TRPML1的重要結(jié)構(gòu)域的高分辨率三維結(jié)構(gòu)，揭示了生理條件下的理化因素（鈣離子和酸性pH）對TRPML1的調(diào)控機制以及TRPML1功能失調(diào)和MLIV相關(guān)基因突變的直接相關(guān)性。
　　溶酶體是一種細胞器，即細胞內(nèi)的一種超微結(jié)構(gòu)，為單層包被的囊泡，可降解細胞內(nèi)的各種生物大分子，并為新的生物大分子提供原料，是細胞的處理與回收系統(tǒng)。溶酶體功能缺陷直接導致生物大分子不能正常降解而在溶酶體中貯積，其結(jié)果是溶酶體隨之發(fā)生腫脹，細胞也變得臃腫失常，細胞功能受到嚴重影響，最終導致疾病，稱為溶酶體貯積癥。MLIV為溶酶體貯積癥的一種，其癥狀表現(xiàn)為智力發(fā)育遲緩、眼功能異常（如視網(wǎng)膜變性，角膜混濁）、鐵和胃酸不足。患有MLIV的兒童在一歲時常表現(xiàn)出認知、語言和運動障礙。學習發(fā)現(xiàn)瞬時受體電位通道成員TRPML1是MLIV的遺傳致病決定性因素，多達20余種TRPML1基因突變可導致MLIV。TRPML1主要定位在后期內(nèi)涵體和溶酶體，該通道具有一些非常重要的特征：如受 pH 和Ca2+ （溶酶體內(nèi)pH值約為4.5，含 0.5 mM Ca2+）調(diào)節(jié)，通透Ca2+ 和 Fe2+（溶酶體含高濃度的此類二價離子）等。然而，這些特征的分子和生物物理機制是否對TRPML1在溶酶體中的生理功能起至關(guān)重要的作用，以及溶酶體貯積癥相關(guān)基因突變所造成的TRPML1功能失調(diào)的分子機制目前尚不清楚。
　　針對上述問題，昆明動物所離子通道藥物研發(fā)中心、美國哥倫比亞大學和清華大學合作對TRPML1通道進行了深入的結(jié)構(gòu)功能學習。為了了解鈣離子和酸性pH對TRPML1調(diào)控的機制，學習人員重點學習了該通道第I、II跨膜片段（TM1 和TM2）之間的一個長連接片段I-II linker，此結(jié)構(gòu)域內(nèi)的3種氨基酸點突變均會導致MLIV。他們獲得了I-II linker在三種不同pH值下的晶體結(jié)構(gòu)，這三種pH對應(yīng)于溶酶體、后期內(nèi)涵體和細胞表面膜的pH值。結(jié)構(gòu)顯示I-II linker為旋轉(zhuǎn)對稱的四聚體，四聚體中央形成一個直徑為14 Å的腔孔（luminal pore），通過由16個氨基酸殘基組成的腔孔環(huán)連接。鈣離子和質(zhì)子作用于此腔孔，從而雙重調(diào)控TRPML1通道活性，符合溶酶體內(nèi)的低pH值和高濃度鈣離子的理化特征。隨后他們使用冷凍電鏡對這一結(jié)構(gòu)進行進一步驗證，獲得全長TRPML1的胞外域分辨率為5.28Å的結(jié)構(gòu)。此胞外域絕大局部由I-II linker組成，是一個四聚體，且中心有一個很大的孔，這一結(jié)構(gòu)與I-II linker的晶體結(jié)構(gòu)高度吻合，表明I-II linker的片段晶體結(jié)構(gòu)的正確性。此外，MLIV致病突變會改變這一結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)并且導致TRPML1通道蛋白的細胞內(nèi)運輸發(fā)生錯誤。這一學習首次為了解TRPML1這一重要蛋白的調(diào)控、組裝、功能以及MLIV致病的分子機理提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，具有重要的科學意義，也為MLIV的治療提供了新思路。
　　昆明動物所學習員楊建為文章通訊作者，美國哥倫比亞大學生物科學系副學習員及昆明動物所訪問學者李明暉和昆明動物所副學習員張煒為文章共同第一作者，清華大學教授李雪明為文章共同作者。該學習得到了科技部“973”項目、國家自然科學基金面上項目、云南省科技廳海外高端人才、云南省高層次人才項目、青年千人計劃以及美國國立衛(wèi)生學習院等多項基金項目的支持。
　　文章鏈接

　　圖a：鈣離子和pH值對TRPML1通道的雙重調(diào)節(jié)。圖b：從膜上方所視的TRPML1通道I-II linker的四聚體結(jié)構(gòu)。圖c：從膜上方所視的I-II linker單體結(jié)構(gòu)。圖d：腔孔環(huán)結(jié)構(gòu)的部分放大，只顯示了三個亞基，最前方的亞基未予顯示以方便觀察。
　　來源:昆明動物學習所　　編輯:葉瑞優(yōu)科學家解密溶酶體相關(guān)疾病關(guān)鍵蛋白調(diào)控機制  |  責任編輯：蟲子
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