-膜脂研究新热点：脂质环境影响酶变构

2018年3月14日，霍金去了属于他的宇宙星辰。若把细胞比作宇宙，那质膜蛋白就是它的星辰，而膜脂构成了质膜蛋白周边的三维空间，如果霍金翱游在其中，会帮助我们发现膜蛋白与脂类错综复杂的关系吗？

膜蛋白是细胞膜的组成，而细胞膜主要由脂质构成，这就注定了膜蛋白与脂质之间千丝万缕的联系。 变构性指的是特定的膜蛋白和脂的结合能改变其远端与其他种类的脂的结合位点。过去40多年的研究揭示：特定脂与蛋白间的相互作用在调控膜蛋白的结构和功能上发挥重要的作用。早在1982年就有研究证实，胆固醇能提高烟碱乙酰胆碱受体的功能(Criado M, et al.1982)。最近利用能够保护蛋白与脂质间非共价结合的质谱（native MS）技术，发现心磷脂（Cardiolipin）与大肠杆菌的水通道蛋白Z的结合，能将其活性提高三倍（Laganowsky A, et al. 2014）。

膜蛋白结构生物学目前最大的挑战之一就是：膜上数量众多结构与化学性质多样性脂环境是如何调控膜蛋白的结构与功能。最近，Patrick等人为了研究不同膜脂环境是如何影响膜蛋白的结构与功能，利用native MS技术确定膜蛋白在不同脂环境下（大约200多对不同脂质种）的变构性（John W. Patrick, et al. 2018）。通过筛选得到一种能与生物膜脂在质谱图上进行很好辨别的荧光标记的心磷脂 ( TFCDL)，而大肠杆菌氨通道蛋白（AmtB）结构已经用native MS技术解析。将TFCDL分别与带有1个1-棕榈酰-2-油酰基(PO,16:1-18:1)尾的磷脂酸（POPA），磷脂酰乙醇胺（POPE），磷脂酰甘油（POPG），磷脂酰丝氨酸（POPS），卵磷脂（POPC），还有心磷脂（TOCDL）混合，在一定温度下将其系统滴定AmtB后进入native MS得到游离脂与蛋白，脂与蛋白复合物浓度，经计算得到平衡解离常数(Kd)。Kd越小，表示脂与蛋白间的亲和性越大，反之则越小。实验结果发现不同脂质环境对AmpB蛋白的构象调控不同，特别是POPE与TFCDL，对AmtB蛋白变构的调控程度最大（图1，图2）。

在AmtB:TFCDL:POPE摩尔比为1:3:1.5环境下长出的衍射晶体结构显示：TFCDL结合在AmpB三聚体的每个亚基上（图3）。当把与TFCDL结合的一个氨基酸突变后，POPE与TFCDL对AmtB蛋白变构的正向调节消失。这一发现证明特定脂质与蛋白间的相互作用，可以作为整合膜蛋白结合不同脂类的变构调节物，或许膜蛋白是通过变构维持所处的脂质微环境。此研究结果发表在2018年2月9日PNAS杂志上。

霍金研究的宇宙大到无边，我们研究的细胞小到不可见，既然能窥探到无边，那微观世界的奥秘自然也将被一一破获。膜蛋白是生物膜功能的主要承担着，既是接受外界信号分子的受体，又是进行物质运输的载体，还是物质运输的通道，维持着细胞这个小宇宙的正常运转。因此对膜蛋白结构与功能的研究显得尤为重要，这篇文章研究生物膜脂化学多样性环境是如何调控膜蛋白的结构与功能的方法值得借鉴。

图1：TFCDL and TOCDL, POPA, POPC, POPG, POPS, or POPE滴定AmtB的平衡解离常数kd

 图2：TFCDL，TFCDL 与POPC，TFCDL与POPE,滴定AmtB的质谱图

 图3：AmtB 结合TFCDL的晶体结构

参考文献：

1. Criado M, Eibl H, Barrantes FJ (1982) Effects of lipids on acetylcholine receptor. Essential need of cholesterol for maintenance of agonist-induced state transitions in lipid vesicles. Biochemistry 21:3622–3629.

2. Laganowsky A, et al. (2014) Membrane proteins bind lipids selectively to modulate their structure and function. Nature 510:172–175.

3. John W. Patrick, et al. (2018)Allostery revealed within lipid binding events to

membrane proteins.PNAS.

 (本文由苗焕和税光厚共同完成）