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胆汁酸生物学中一个长期存在的谜团终于解开了。胆汁酸通常被引入……
胆汁酸生物学
中一个长期存在的谜团
终于解开了。
胆汁酸通常被认为是消化辅助剂，但它们也是强大的化学信使，有助于协调全身的新陈代谢。为了发挥作用，这些胆固醇衍生的分子必须在肝脏、肠道和血液之间高效转运，形成一个称为肠肝循环的循环回路。
科学家已经绘制出维持这一循环运转的许多运输步骤。然而，其中一个关键环节却出人意料地难以确定：即胆汁酸从肠道细胞进入血液的转运过程。由于这条途径长期以来被认为存在，但却难以从分子层面解释，一位评论家将其称为胆汁酸运输的“西北通道”：一条长期以来被认为存在却难以绘制的通路。
一项新研究填补了这一空白。由中国科学院上海药物研究所徐华强（Eric H. Xu）领导的研究团队，与仁济医院的熊麻（MA Xiong）合作，利用冷冻电镜结构测定、分子动力学模拟和电生理分析，揭示了转运蛋白Ostα/β如何处理胆汁酸，以及它为何与教科书中常见的其他转运蛋白的行为有所不同。他们的研究成果近期发表在《自然》杂志上。
冷冻电镜的结构解析
在肝细胞中，胆汁酸的运输是通过一个特征明确的系统进行的。钠偶联转运蛋白或易化转运蛋白允许胆汁酸从肝窦膜进入肝细胞，而ATP结合盒（ABC）转运蛋白则从毛细胆管膜将其输出。
科学家们曾认为肠道细胞也采用类似的策略。然而，2004年，研究人员发现异二聚体有机溶质转运蛋白Ostα/β是肠细胞基底外侧膜上胆汁酸的主要输出蛋白。即便如此，这种转运蛋白在分子水平上的具体作用机制仍然未知。
为了解答这个问题，研究团队在哺乳动物细胞中制备并纯化了人源Ostα/β复合物，并利用单颗粒冷冻电镜技术解析了其2.6–3.1 ?分辨率的结构。他们发现该复合物形成一个由两个异二聚体组成的对称四聚体。每个Ostα亚基都具有独特的七次跨膜结构，并由Ostβ的一个跨膜螺旋“增强”。这种不寻常的结构排列有助于解释为什么Ostα/β不属于任何已知的转运蛋白家族。
对该结构的进一步分析揭示了膜内存在一个侧向结合槽，底物可附着于此。该结合槽由一个富含半胱氨酸的环状结构支撑，该结构会发生广泛的棕榈酰化修饰。这些脂质修饰创造了一个疏水环境，适合胆汁酸等两亲性分子结合。
用牛磺石胆酸和脱氢表雄酮硫酸盐捕获的其他结构表明，沟槽内的带电氨基酸与底物上的带负电荷的基团相互作用，为转运体如何实现特异性提供了分子解释。
电压依赖性传输途径
此外，研究人员还发现了一条从结合槽延伸至转运蛋白胞外侧的亲水通道。分子动力学模拟和电生理记录表明，底物以电压依赖的方式通过该通道移动，利用胆酸的固有电荷将胆汁酸通量直接转化为电信号。这些结果通过记录转运蛋白相关电流，实现了对胆汁酸转运的直接定量读取，从而将结构与转运实时关联起来，并实现了极性控制。
综合数据支持这样一种模型：Ostα/β 作为一种促进性载体，其转运方向由底物的电化学梯度共同决定。Ostα/β 介导双向转运，其方向性受底物浓度梯度、膜电位以及结合口袋内的静电相互作用的影响。因此，膜电压并非被动的背景变量，而是一个主动的决定因素，在生理条件下，它会影响转运方向，使其倾向于输出或输入。
这项研究超越了胆汁酸生物学的范畴，表明基于结构相似性，Ostα/β 和 TMEM184 蛋白家族很可能是孤儿转运蛋白而非受体，因此它们可能共享转运机制。这些结果为研究特性不明确的膜蛋白以及理解脂质环境如何调节转运蛋白功能开辟了新的途径。
