颜宁、闫创业、鄢仁鸿等在《科学》报道胆固醇代谢关键调控复合物Scap-Insig2的结构与工作机理

心血管疾病是威胁人类健康的主要杀手之一。据统计，中国每年死亡总人数中约有40%是由于心脑血管疾病导致的，而心脑血管疾病的发生与胆固醇代谢异常密切相关。胆固醇是一种脂质小分子，是哺乳动物细胞膜的重要组成成分，主要调控细胞膜的流动性，也是胆酸、维生素D以及一些荷尔蒙合成的前体分子，同时还作为信号分子参与细胞内多个重要信号转导过程。当人体内胆固醇代谢异常，过量的胆固醇积累在血管中会促进动脉粥样硬化的发生和发展，最终可能引发冠心病、中风等心脑血管疾病。

过去近30年，美国西南医学中心的两位诺贝尔生理与医学奖得主Joseph Goldstein和Michael Brown领导的研究组通过一系列生化和细胞实验发现了胆固醇代谢的负反馈调控机制，即SREBP（Sterol Regulatory Element-Binding Protein）信号通路，来调控细胞水平的胆固醇摄取和合成，从而维持细胞内胆固醇含量的稳态。

尽管对于SREBP信号通路的细胞生物学与生物化学特征有了很多的研究，但受限于相关膜蛋白在表达纯化结构解析等方面的技术难度，这个领域的结构生物学研究进展一直很缓慢。这里面最关键的一个问题就是Scap和Insig蛋白的相互作用是如何被25HC等甾醇类分子调控的。

这道科学难题被颜宁教授戏称为自己“初恋课题”：2001年她加入施一公教授在普林斯顿大学分子生物学系的实验室读博的第一个课题便是针对SREBP通路的结构生物学与生物化学研究；2005年做博士后的第一个课题便是SREBP通路中的膜蛋白们；在清华独立领导实验室之后的第一个科技部973项目也是针对SREBP通路的结构生物学研究。过去几年，颜宁实验室先后解析了Insig的细菌同源蛋白MvINS的晶体结构（2015）， Scap在裂殖酵母中的同源蛋白Scp1的C端结构域的晶体结构（2015）及Scp1-Sre1复合物的低分辨电镜结构（2016）；为了理解SSD感受甾醇的机理，她的课题组系统研究了两个含有SSD的蛋白NPC1（2016，2020）和Patched 1（2018, 2019）的工作机理。尽管这些前期成果很重要，但依然无法解释Scap和Insig如何感知内质网膜内的胆固醇水平。要解答这个问题，必须获得Scap-Insig结合25HC的高分辨率结构。

颜宁课题组历经几代博士生、博士后的努力，从获得性质稳定、均一化程度较高的复合物到结构解析，可谓是经历了“九九八十一难”。这个分子量小、结构域灵活的膜蛋白复合物，即便到了冷冻电镜时代，依旧是硬骨头，很长一段时间，分辨率止步于五六埃，无法看到精细的结构。为了解决这个难题，颜宁与专攻小分子膜蛋白电镜结构解析的清华大学生命学院、结构生物学高精尖中心研究员闫创业博士合作，后者通过对算法的不断创新和改进，终于将跨膜区的分辨率提高到了4埃以内！在获得蛋白复合物的近原子分辨率结构之后，研究组的成员们又通过大量生物化学和细胞生物学的实验手段，与结构数据相互印证，解释了Scap和Insig蛋白依赖于25HC相互作用的一个复杂的调控机理。

这篇文章主要报道了以下成果

2. 在Scap和Insig-2之间清晰看到了25HC分子，颠覆了之前对于25HC结合位点和调控机理的认知，并且解释了为何多一个亲水基团的25HC比高度疏水的胆固醇更有效地促进这两个蛋白的相互作用；

3. 与其它含有SSD的如NPC1、Patched 1等蛋白相比，Scap的SSD有复杂的构象变化：它的第四段跨膜螺旋S4从中间断开，分成了S4a和S4b两段，其中S4a向结构域内部弯折，从而提供了25HC结合所需要的空间，同时弯折区对于直接结合Insig以及兼容Scap上与Insig主要相互作用的S2新型构象至关重要。生化实验也进一步验证了这个断裂的跨膜区对于形成复合物的重要作用，从而解释了为何两个蛋白的相互作用需要25HC等甾醇分子，因为在疏水的跨膜区内维持暴露亲水基团的断裂螺旋结构需要外界因素来稳定，比如25HC的结合。根据这些结构分析，作者为此前的两个经典Scap突变，不需要25HC既可以结合Insig的D428A以及彻底丧失Insig结合能力的Y298C，提供了结构解释，并据此预测了Q432A可能会与D428A具有相似的效果，这一分析果然在生化实验中得到证实。

颜宁、清华大学结构生物学高精尖创新中心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。

2. X. Gong et al., Structure of the WD40 domain of SCAP from fission yeast reveals the molecular basis for SREBP recognition. Cell Res 25, 401-411 (2015).

3. X. Gong et al., Complex structure of the fission yeast SREBP-SCAP binding domains reveals an oligomeric organization. Cell Res 26, 1197-1211 (2016).

4. X. Gong et al., Structural Insights into the Niemann-Pick C1 (NPC1)-Mediated Cholesterol Transfer and Ebola Infection. Cell 165, 1467-1478 (2016).

5. H. W. Qian et al., Structural Basis of Low-pH-Dependent Lysosomal Cholesterol Egress by NPC1 and NPC2. Cell 182, 98-111 (2020).

6. X. Gong et al., Structural basis for the recognition of Sonic Hedgehog by human Patched1. Science 361, eaas8935 (2018).

7. H. W. Qian et al., Inhibition of tetrameric Patched1 by Sonic Hedgehog through an asymmetric paradigm. Nat Commun 10, 2320 (2019).

来源：结构生物学高精尖创新中心