Science | 颜宁/闫创业合作解析固醇感受器分子机制

Science | 颜宁/闫创业合作解析固醇感受器分子机制

撰文 | 小白薯

责编 | 酶美


SREBP( sterol regulatory element-binding protein)信号通路通过一系列负反馈机制调控着细胞内固醇类物质的稳态。SREBP是一类可以结合sterol调控元件序列的转录因子,属于basic-helix-loop-helix leucine zipper (bHLH-zip)家族。哺乳动物中,SREBP有三种不同的形式,分别是SREBP-1a, SREBP-1c和SREBP-2。SREBP-1系列主要负责脂肪的从头合成,a和c在不同的组织中的表达谱不一样;SREBP-2主要负责胆固醇的代谢和稳态【1,2】。在未激活状态下,SREBP的N-terminal转录因子结构域和C-terminal调节结构域由两个跨膜结构域相连,像发卡一样卡在ER膜上,并且两端结构域此时都面对着胞质,而连接两个跨膜结构域的loop大概有30个氨基酸在ER的内腔(图1)。SREBP的C-terminal结构域组成型的结合Scap (SREBP cleavage-activating protein)蛋白的C端WD40结构域。在WD40结构域前,Scap蛋白还包含8个跨膜结构域,其中S2-S6是固醇感受器结构域(sterol-sensing domain, SSD)【1-3】(图1)


当sterol比较丰富时,Scap和另一个ER上的膜蛋白Insig-1/2 (insulin-induced gene)相互作用,此时Scap和SREBP-2也相互结合在ER的膜上。Scap和Insig的结合需要胆固醇或胆固醇的类似物参与,比如 25-hydroxycholesterol (25HC)。当sterol水平下降时,Insig和Scap不再相互作用,此时Scap会经历一系列结构变化去暴露出它的膜泡转运信号“MELADL”,于是Scap拽着SREBP-2一起,会在COPII介导的囊泡运输作用下从ER转运到高尔基体。一旦到了高尔基体,SREBP-2/Scap复合物就会遇到活化的蛋白酶,S1P (site-1 protease)和S2P。S1P首先会把SREBP两个跨膜结构域的loop切断,将SREBP分成两个部分,此时每一部分仍然有一个跨膜结构域保留在膜上。随后S2P会继续在连接SREBP N端结构域的跨膜区切割,于是SREBP的N端转录因子结构域被释放,然后进核启动相关基因的表达【1-3】(图1)

 

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图1. SREBP信号通路简化示意图

 

尽管这条信号通路已经发现了几十年,但是具体的结构信息和分子机制仍然尚未被完全阐述。2021年1月15日,Science杂志在线发表了来自颜宁闫创业合作发表,题为“A structure of human Scap bound to Insig-2 suggests how their interaction is regulated by sterols”的研究长文,通过冷冻电镜技术,解析了人源Scap和Insig-2包含25HC分子的复合物结构,揭示了固醇类分子调节SREBP信号通路的分子机制。

 

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为了阐明该信号通路分子机制,在此前,一些低等物种的同源结构也有被陆续解析。比如,来自古细菌的S2P MjS2P的晶体结构【4】,分枝杆菌Insig同源结构 MvINS【5】,和来自酵母的SREBP和Scap C端结构域的同源蛋白,Sre1【6】和Scp1【7】。SSD结构域在很多蛋白中可见,并且有很多工作已经揭示了SSD的结构信息,比如Niemann-Pick type C (NPC1), Patched 1 (Ptch1), NPC1L1, 和Dispatched蛋白的冷冻电镜结构【8-13】。尽管如此,在SREBP信号通路中,25HC(或其他类固醇分子)的结合位点和Scap与Insig的相互作用机制仍然未知。此外,此前报道显示Insig结合25HC而不是胆固醇,然而Scap却只能结合通过它的内腔结构域(Loop1)结合胆固醇。


为了更加清晰的阐述相关分子机制,作者结合生化和冷冻电镜技术,解析了Scap_Insig-2_25HC三者的复合物结构。结构中,跨膜结构域的平均分辨率3.7 Å。Scap的SSD和Insig-2的所有跨膜区结构都被解析,其中25HC分子像三明治一样夹在Scap的S4-S6部分和Insig-2的TM3/4之间 (图2)

 

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图2. Insig-2和Scap包含25HC的复合物结构


结构显示,Scap的S4中间“解旋”状态部分对于25HC的结合和Insig相互作用至关重要。Scap的跨膜结构域与NPC1和Ptch1类似,但是Scap在S4区域有一个特别之处—Scap的S4在中间“断开”形成了一个类似解旋的扭结,使S4分成了两个半个的helix,S4a和S4b (图2)。但在NPC1和Ptch1的相应区域是完整的。正是由于这个扭结,使得S4a向SSD内倾斜,给配体的结合腾出了空间。结构和生化实验证明,S4螺旋的不连续对于配体的结合和与Insig-2的相互作用不可或缺。


Insig-2的结构与此前解析的MvINS结构类似。在MvINS的晶体结构中,一个内源的diacyl-glycerol (DAG)分子插入在TM1/2/3/5的中心口袋中。结构类比之后,发现在Insig-2的相应区域也有类似的口袋,此前的结构预测该口袋也是用来装固醇类配体的【5,14】。但是,通过解析的结构发现,尽管在相应的区域确实存在一个相似的口袋,但是在口袋内没有观察到任何的电子密度。进一步发现,25HC实际上是结合在Scap和Insig-2的相互作用界面。而对于在口袋附近进行氨基酸突变也不会明显影响25HC依赖的Scap-Insig-2相互作用(图3),进一步证实了口袋并非结合配体的位置。

 

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图3. Insig-2上的口袋对25HC结合的影响


总的来说,结合整个结构和生化实验结果,文章较完整的揭示了Scap和Insig-2之间以25HC依赖的方式的跨膜相互作用分子机制(图4)尽管如此,依然还有很多问题需要被解决。比如为什么有了配体的结合后,Scap的构象就会阻止MELADL motif被囊泡的识别,不被转运至高尔基体?在Scap上,以胆固醇依赖的方式进行构象改变的Loop1是否会耦连S2和S4的运动?单独的Scap和Insig结构又长得怎么样?等等一些问题,不是这一个结构可以解释的,不过该结构给这些未来更复杂的问题提供了一定的线索和启示。

 

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图4. 简化的分子机制模型


颜宁闫创业为论文共同通讯作者,西湖大学博士后鄢仁鸿、清华大学博士生曹平平宋闻麒为本文的共同第一作者。冷冻电镜数据分别在国家蛋白质科学中心(北京)清华大学冷冻电镜平台和西湖大学冷冻电镜平台收集,清华大学高性能计算平台和西湖大学超算中心分别为本研究的数据处理提供了支持。


原文链接:
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/01/13/science.abb2224


参考文献

1. Brown, M. S. et al. Cell 89, 331-340, (1997).
2. Goldstein, J. L. et al. Cell 124, 35-46, (2006).
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4. Feng, L. et al. Science 318, 1608-1612, (2007).
5. Ren, R. et al. Science 349, 187-191, (2015).
6. Gong, X. et al. Cell research 25, 401-411, (2015).
7. Gong, X. et al. Cell research 26, 1197-1211, (2016).
8. Gong, X. et al. Cell 165, 1467-1478, (2016).
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13. Cannac, F. et al. Science Advances 6, eaay7928, (2020).
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