Cell丨膽固醇和鞘磷脂的「探戈」
撰文丨酶美
責編丨迦漵
生命之初，生物膜包裹生命體將之與外界環境區分隔離開來，形成一個自我運行的系統。脂質雙分子層和膜蛋白組成了生物膜系統。生物膜系統主要由三類脂質分子構成：磷脂（phospholipid）；鞘脂（sphingolipid）和膽固醇（cholesterol）。脂質分子多變的結構，特色各異的生物物理學性質和豐富的組份變化賦予了生物膜各種迥異的身份，提供了膜重塑和膜穩態維持的基礎。不同膜系統脂質分子的構成和數量有很大差別；脂質成分的改變，與多種疾病相關。目前，脂類相關的遺傳疾病已達到150種之多【1】。
生物膜不同脂類分子之間有緊密的相互作用和調控關係，尤以膽固醇和鞘磷脂(sphingomyelin, SM)分子的相互作用被廣泛研究【2】。細胞約80%總量的膽固醇分佈在細胞膜上，膽固醇的水平被嚴格調控。膽固醇水平失調是高血壓高血脂慢性病的成因之一；多種遺傳疾病與膽固醇轉運代謝有關，如Niemann-Pick diseases。分子結構上，膽固醇沒有脂肪酸長鏈，而其甾醇片狀結構容易插入磷脂分子的脂肪酸長鏈中。特別是鞘磷脂分子通常具有飽和脂肪酸長鏈，膽固醇和鞘磷脂分子容易自發形成緊密聚集流動性減少的有序脂分子結構域（lipid-ordered domain，Lo）。而磷脂分子通常含有不飽和脂肪酸鏈，流動性強熔點低，形成無序脂分子結構域(Ld)【2】。這是脂類分子的液-液相分離（liquid-liquid phase separation）。膜上鞘磷脂分子水平的改變可引起膽固醇水平的相應變化。由於觀察手段的限制，膽固醇和鞘磷脂分子在細胞膜上相互作用機制並不十分清楚【3】。
近日，美國西南醫學中心Radhakrishnan實驗室在Cell上發表了題為Molecular Discrimination between Two Conformations of Sphingomyelin in Plasma Membranes的研究論文，展示了質膜上膽固醇和鞘磷脂的動態變化【3】。
該實驗室長期著力於開發鑒定檢測膽固醇的分子感應器。實驗室之前文章中闡述兩種細菌毒素：perfringolysin O(PFO)和anthrolysin O能結合膜上自由的膽固醇分子；而無法結合與鞘磷脂（SM）聚集的膽固醇分子【4】。作者推測自然界是否有能細菌毒素能識別和SM聚集的膽固醇分子。通過檢索，找到了三個候選蛋白能同時結合鞘磷脂和膽固醇分子。實驗證明只有ostreolysin A（OlyA）能特異地識別1：1聚合的鞘磷脂和膽固醇分子。
本篇Cell文章中，研究人員對OlyA蛋白進行了深入的結構和功能解析。在與脂分子共結晶體中，發現了由W28和K99圍繞的表面淺溝內有SM分子的神經醯胺(Ceramide)基團電子云密度。進一步進行的氨基酸突變實驗發現E69穀氨酸的改變能造成突變蛋白失掉對膽固醇的識別特異性。OlyA(E63A)晶體結構解析發現，第69位Glu->Ala突變使Q5, W28和K99側鏈發生劇烈的扭轉變化；功能實驗顯示OlyA(E69A)不僅能結合SM:Cholesterol，還能結合SM單分子，以及SM:Epicholesterol。
但是沒有在晶體中找到任何膽固醇相關的結合信息，OlyA怎麼識別SM和膽固醇的特異組合呢？OlyA蛋白沒有直接結合膽固醇分子，作者推測與膽固醇分子的結合改變了SM分子自身構象，OlyA(WT)蛋白只能識別這一特殊構象的SM分子。OlyA(E69A)突變蛋白則識別其它多種構象的SM分子。分子模擬實驗證實了膽固醇分子以間接地方式決定了OlyA蛋白的識別特異性。
本文以詳實和深入的結構功能分析為我們展示了脂類分子多變的結構，豐富的動態變化。
原文鏈接：
Molecular Discrimination between Two Conformations of Sphingomyelin in Plasma Membranes
參考文獻：
1. Harayama et al., Understanding the Diversity of Membrane Lipid Composition, Nature Reviews Molecular Cell Biology (2018), V19:281
2. Sezgin et al., The Mystery of Membrane Organization: Composition, Regulation and Roles of Lipid Rafts. Nature Reviews Molecular Cell Biology (2017), V18:361
3. Endapally et al., Molecular Discrimination between Two Conformations of Sphingomyelin in Plasma Membranes, Cell (2019), https://doi.org/10.1016/j.cell.2018.12.042
4. Das et al., Three Pools of Plasma Membrane Cholesterol and Their Relation to Cholesterol Homeostasis. eLife (2014) 3, e02882.
制稿人：子陽
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