清华大学颜宁研究组报道人源胆固醇转运蛋白结构——揭示其介导胆固醇转运和埃博拉病毒入侵的分子机制

清华新闻网6月2日电 5月26日，清华大学生命科学学院颜宁研究组与中国疾控中心、中科院微生物所高福院士研究组合作在《细胞》(Cell) 杂志发表题为《NPC1蛋白介导胆固醇转运和埃博拉病毒入侵的分子机制》(Structural insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-mediated cholesterol transfer and Ebola infection)的研究论文，首次报道了人源胆固醇转运蛋白NPC1的4.4埃分辨率冷冻电镜结构，并通过大量生化分析探讨了NPC1和NPC2介导细胞内胆固醇转运的分子机制；同时报道了NPC1与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体6.6埃分辨率的冷冻电镜结构，为理解NPC1介导埃博拉病毒入侵的分子机制提供了分子基础。

人源NPC1蛋白(左)及其与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体(右)的结构模型。

Niemann-Pick疾病是一类因为脂类代谢失常而导致的罕见遗传疾病，目前还没有有效的治疗手段。NPC1功能异常是C型Niemann-Pick疾病的主要因素。NPC1蛋白在胆固醇的胞内运输中发挥了重要作用。富含胆固醇的低密度脂蛋白（LDL）首先通过细胞膜表面的LDL受体被内吞进入细胞，在内吞体(endosome)或溶酶体(lysosome)中，NPC2小蛋白从LDL中将胆固醇抽提出来，再传递给位于膜上的NPC1蛋白，最后NPC1与下游蛋白进一步将胆固醇传递到细胞其他部位发挥生物学功能。如果NPC1发生突变，导致胆固醇在溶酶体中的异常堆积，就可能导致病人肝脏、肾脏、脾脏甚至脑部的脂类过量积累而造成器官病变。

过去几年的研究发现，NPC1除了在细胞内胆固醇转运过程中发挥了重要作用，其作为细胞内的埃博拉病毒受体，在埃博拉病毒入侵过程中也起着了不可或缺的重要作用。埃博拉病毒表面的糖蛋白进入溶酶体后会发生酶切，酶切之后的糖蛋白(GPcl)可以和NPC1蛋白直接相互作用，从而引发病毒与宿主细胞内的膜融合过程。

人源NPC1是一个全长1278个氨基酸并含有13次跨膜螺旋的膜蛋白，其较小的分子量对于利用电镜进行结构生物学研究是一个挑战。在最新的这篇论文中，颜宁研究组的周强博士发展了新型“随机相位3D分类”方法，从而将这一并不十分稳定的单体膜蛋白结构解析到4.4埃，该方法有望推广到对于类似生物大分子的结构解析。同时，他们与高福院士课题组合作，解析了NPC1与埃博拉病毒GPcl蛋白复合体6.6埃分辨率的冷冻电镜结构，揭示了一个NPC1蛋白单体与一个GPcl三聚体通过一个单一界面互相识别。这与2016年初高福研究组解析的GPcl和NPC1的C结构域的晶体结构吻合，从而为进一步研究NPC1介导的埃博拉病毒入侵机制，以及通过破坏这一识别界面而干预这一过程提供了分子基础。

清华大学医学院博士后龚欣，生命学院博士生钱洪武、周芯卉、吴建平以及中科院微生物研究所高福院士课题组的万涛博士为本文的共同第一作者，生命科学学院颜宁教授和医学院副研究员周强博士为本文的共同通讯作者。

颜宁教授一直针对胆固醇代谢调控通路进行系统的结构生物学与生物化学研究，并在近年取得了积极进展。这是继2015年3月在《细胞研究》(Cell Research)报道裂殖酵母中SREBP通路的SCAP蛋白调控结构域结构()，以及2015年7月在《科学》(Science)报道胆固醇感应蛋白Insig在分支杆菌中同源蛋白结构()之后的又一重要成果。高福研究组一直从事重大传染疾病相关病毒入侵机制的结构生物学研究。两研究组优势互补、从两个角度完成对于NPC1蛋白的深入分析。

项目电镜数据采集于清华大学冷冻电镜平台，计算工作得到清华大学超级计算中心支持。本研究项目受到科技部重大科学研究计划、膜生物学国家重点实验室、结构生物学高精尖中心、清华-北大生命科学联合中心、国家自然科学基金、中国科学院战略重点研究项目、中国科学院院长基金埃博拉病毒研究特别项目的资助。

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供稿：生命学院 编辑：华山 田心