中國科學技術大學生命科學與醫學部陳宇星教授和周叢照教授課題組利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了分辨率約為3.3Å的人類膽固醇外排轉運蛋白ABCG1與底物膽固醇、ATP及鞘磷脂分子複合物三維結構。基於結構開展的一係列生物化學和細胞生物學研究，揭示了膽固醇經由ABCG1跨膜外排的分子機製，發現膽固醇接收器和膜上鞘磷脂分子是外排活性所必需的。相關研究成果以“Structure and Transport Mechanism of the Human Cholesterol Transporter ABCG1”為題於2022年1月25日在線發表在《Cell Reports》上。

　　膽固醇作為哺乳動物細胞質膜的主要成分，在維持膜流動性和穩定性以及合成膽汁酸、類固醇激素和維生素D等代謝過程中發揮著關鍵作用。細胞內多餘的膽固醇可以通過逆向膽固醇運輸(RCT)途徑從外周組織細胞轉移到肝髒。當RCT功能異常時，胞內的膽固醇會過度累積，最終導致動脈粥樣硬化，即目前全球第一的致死疾病。ABCG1作為RCT途徑中負責向胞外轉運膽固醇的關鍵膜蛋白，其功能異常與動脈粥樣硬化等重大疾病具有高度相關性。

圖1 ABCG1的三維結構及其介導膽固醇轉運的分子機製

　　該文報道了ABCG1一個呈現向胞內開口構象的三維結構。由於同時結合了ATP和底物分子，該結構處於構象變化交替的中間態。基於結構分析、生物化學和細胞生物學實驗，作者鑒定了ABCG1結合膽固醇底物的氨基酸殘基，闡釋了蛋白-底物的相互作用模式，並發現在底物結合口袋出口處存在一組苯丙氨酸殘基對於底物轉運非常重要。相應的生物化學實驗揭示了ABCG1活性同時依賴於膽固醇接收器—高密度脂蛋白HDL。研究人員還借助質譜技術，發現在蛋白底物結合口袋附近特異性結合的鞘磷脂組分。結構分析和功能實驗結果顯示，該鞘磷脂分子是ABCG1介導膽固醇轉運所必需的。基於上述實驗結果，作者提出了一個ABCG1介導膽固醇外排機製模型：鞘磷脂協助膽固醇與ABCG1結合，並參與形成完整的結合口袋以穩定底物分子，胞外結合的HDL促進膽固醇從ABCG1底物口袋中外排（圖1）。該研究不僅揭示了ABCG1與膽固醇的相互作用模式以及HDL對於膽固醇外排轉運的重要性，也進一步完善了膽固醇代謝的調控網絡，對膽固醇代謝失調相關疾病的防治具有重要的理論指導意義。

　　中國科學技術大學生命科學與醫學部陳宇星教授、周叢照教授和侯文韜特任副研究員為該論文的共同通訊作者，徐達博士為該論文的第一作者。冷凍電鏡數據收集工作在中國科學技術大學生物成像中心完成。該研究工作得到了西湖大學生命科學學院李顏顏研究員和中國科學技術大學無膜細胞器與細胞動力學教育部重點實驗室姚雪彪教授、楊豐瑞博士的大力幫助，並得到了來自科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。