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中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部周叢照教授和陳宇星教授課題組，利用單顆粒冷凍電鏡技術(shù)解析了人類(lèi)磷脂翻轉(zhuǎn)酶ATP8B1-CDC50及其與生理底物磷脂酰絲氨酸復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)，并借助一系列生化實(shí)驗(yàn)闡明了ATP8B1的底物特異性及其活性調(diào)控的分子機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Structural insights into the activation of autoinhibited human lipid flippase ATP8B1 upon substrate binding”為題于2022年3月30日在線發(fā)表在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）上。

脂質(zhì)雙分子層的不對(duì)稱(chēng)性是真核生物細(xì)胞膜的標(biāo)志性特征，維系一系列細(xì)胞功能，如膜穩(wěn)定性、細(xì)胞形狀、細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)以及膽汁和膽固醇穩(wěn)態(tài)等。人類(lèi)ATP8B1是一種P4型ATP酶，主要定位于肝臟的膽管細(xì)胞和小管膜上，利用ATP水解產(chǎn)生的能量將磷脂從細(xì)胞外膜翻轉(zhuǎn)到內(nèi)膜，對(duì)維持肝腸等細(xì)胞膜穩(wěn)態(tài)具有重要作用。ATP8B1的功能缺陷會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的人類(lèi)疾病相關(guān)，如I型進(jìn)行性家族性肝內(nèi)膽汁淤積癥（PFIC1），嚴(yán)重時(shí)將發(fā)展成肝膽管癌等疾病。

研究者結(jié)合體外ATP水解活性以及基于熒光標(biāo)記的脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)活性檢測(cè)，首次利用生化手段證明了磷脂酰絲氨酸是ATP8B1的真正生理底物。結(jié)構(gòu)比對(duì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)配基的ATP8B1處于天然的磷酸化狀態(tài)，其氨基端和羧基端分別插入三個(gè)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域之間，處于自抑制狀態(tài)。這一首次發(fā)現(xiàn)的全新構(gòu)象，更新了我們對(duì)P4型ATP酶轉(zhuǎn)運(yùn)循環(huán)的認(rèn)識(shí)。在生理底物結(jié)合時(shí)，ATP8B1的自抑制狀態(tài)將被解除。進(jìn)一步的酶活實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在生理環(huán)境中大量存在的膽酸鹽能夠極大地增強(qiáng)ATP8B1的酶活，表明膽酸鹽在ATP8B1的活性調(diào)控中起著重要作用。結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，ATP8B1胞內(nèi)的P結(jié)構(gòu)域上具有一個(gè)獨(dú)特的帶正電的柔性結(jié)構(gòu)（P-loop）與膽酸鹽響應(yīng)密切相關(guān)。這些研究結(jié)果闡明了ATP8B1介導(dǎo)的膽酸鹽循環(huán)過(guò)程中膜脂不對(duì)稱(chēng)性修復(fù)的分子機(jī)理，揭示了ATP8B1在底物和肝內(nèi)膽酸鹽共同作用下的“自抑制-抑制解除-酶活增強(qiáng)”的精細(xì)調(diào)控機(jī)制，同時(shí)還為膽汁淤積癥等疾病的治療干預(yù)和藥物設(shè)計(jì)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖1.無(wú)配基及底物結(jié)合ATP8B1-CDC50A復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)