膽汁酸的腸肝循環(huán)和類固醇激素的穩(wěn)態(tài)維持離不開OSTα/β這個(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白復(fù)合體，其功能異常與多種肝膽疾病和代謝紊亂密切相關(guān)。2026年6月22日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院薛婧研究員、夏強(qiáng)院士、陳洪文研究員、蘭鵬飛研究員團(tuán)隊(duì)在《Nature Structural & Molecular Biology》期刊發(fā)表了題為“Structural insights into OSTα/β-mediated transport of bile acids and steroid conjugates”的研究論文。該工作利用冷凍電鏡技術(shù)解析了人源OSTα/β在五種不同狀態(tài)下的高分辨率結(jié)構(gòu)，闡明了該復(fù)合體組裝為獨(dú)特異源四聚體的分子基礎(chǔ)，并揭示了底物識(shí)別、棕櫚酰化修飾調(diào)控及藥物抑制的機(jī)制。

研究團(tuán)隊(duì)拿到的高分辨率結(jié)構(gòu)顯示，OSTα/β并不是以單個(gè)異源二聚體的形式發(fā)揮功能。兩個(gè)OSTα亞基通過其N端的四螺旋束發(fā)生緊密的同源二聚化，而兩個(gè)OSTβ亞基則像兩個(gè)獨(dú)立的小單元分別貼合在兩個(gè)OSTα的外側(cè)，最終組裝成一個(gè)α:α:β:β的對(duì)稱四聚體。這種四聚體組裝離不開脂質(zhì)分子的參與和維系。細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的磷脂分子填充在兩個(gè)OSTα之間的縫隙里，它們的極性頭基與蛋白質(zhì)表面的精氨酸和賴氨酸形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，兩條脂肪酸尾巴則深深插入疏水腔內(nèi)。細(xì)胞膜外側(cè)的膽固醇分子像楔子一樣嵌在TM1、TM3、TM4和TM5的交接處，進(jìn)一步把同源二聚體界面加固。研究團(tuán)隊(duì)通過一系列突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種組裝模式的重要性，不管是破壞同源二聚體界面的疏水相互作用，還是干擾磷脂或膽固醇的結(jié)合，都會(huì)導(dǎo)致TCA的轉(zhuǎn)運(yùn)活性大幅下降，并且這些突變體無法正常到達(dá)細(xì)胞膜。

在底物如何被OSTα/β識(shí)別這個(gè)問題上，研究團(tuán)隊(duì)獲得了非常清晰的結(jié)構(gòu)答案。底物TLCA和DHEAS都結(jié)合在OSTα亞基的TM5和TM6螺旋圍成的一個(gè)表面溝槽里面。溝槽內(nèi)部的疏水殘基負(fù)責(zé)識(shí)別底物的類固醇骨架，而靠近細(xì)胞內(nèi)側(cè)開口處的兩個(gè)精氨酸殘基則通過靜電相互作用拉住底物的牛磺酸基團(tuán)或硫酸基團(tuán)。這個(gè)溝槽的表面是暴露的，底物結(jié)合上去之后很容易脫落，OSTα/β用了一個(gè)很獨(dú)特的辦法來解決這個(gè)問題。連接TM3和TM4的第二個(gè)胞內(nèi)環(huán)IL2上密集分布了七個(gè)半胱氨酸，其中多個(gè)位點(diǎn)發(fā)生了棕櫚酰化修飾，共價(jià)連接的棕櫚酰鏈從細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)插入脂質(zhì)雙分子層，像一道屏障一樣覆蓋在溝槽外圍，把原本暴露的凹槽變成了一個(gè)封閉的隧道。研究團(tuán)隊(duì)把IL2上的半胱氨酸簇突變成絲氨酸之后，轉(zhuǎn)運(yùn)活性出現(xiàn)了非常明顯的下降，并且這種活性下降跟蛋白是否到達(dá)細(xì)胞膜沒有關(guān)系，說明棕櫚酰化修飾在這里直接參與了底物的轉(zhuǎn)運(yùn)過程。

研究團(tuán)隊(duì)還解析了OSTα/β與兩種已知抑制劑的復(fù)合物結(jié)構(gòu)，從分子層面解釋了它們的作用方式。大環(huán)內(nèi)酯類抗生素Fidaxomicin的分子體積很大，它整個(gè)嵌進(jìn)了TM5-TM6的溝槽里，不僅占住了底物的結(jié)合位點(diǎn)，還把整條轉(zhuǎn)運(yùn)通道都給塞滿了，依靠純粹的體積排斥效應(yīng)阻斷底物通行。Ethinylestradiol作為類固醇衍生物，它的抑制模式跟Fidaxomicin完全不同，兩個(gè)Ethinylestradiol分子同時(shí)結(jié)合在溝槽的不同位置，一個(gè)占據(jù)底物結(jié)合位點(diǎn)，另一個(gè)插到靠近細(xì)胞外側(cè)的深部口袋，通過這種多位點(diǎn)占用的方式把轉(zhuǎn)運(yùn)路徑堵死。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步做了分子動(dòng)力學(xué)模擬來檢驗(yàn)棕櫚酰化修飾的功能。在保留棕櫚酰鏈的體系中，底物DHEAS能夠穩(wěn)定地停留在溝槽內(nèi)部，而在去掉棕櫚酰鏈的體系中，底物很快就從溝槽里跑了出來。加速模擬還顯示底物可以沿著溝槽從細(xì)胞內(nèi)側(cè)向細(xì)胞外側(cè)移動(dòng)，過程中底物會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，極性的硫酸頭基始終與蛋白質(zhì)表面保持接觸，疏水的類固醇骨架則面向脂質(zhì)雙分子層。基于這些結(jié)構(gòu)、功能和模擬數(shù)據(jù)，該團(tuán)隊(duì)提出了OSTα/β的蛋白-脂質(zhì)隧道轉(zhuǎn)運(yùn)模型，這個(gè)模型跟脂質(zhì)翻轉(zhuǎn)酶的工作方式有不少相似之處。

演化分析的結(jié)果表明這種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制具有古老的演化起源。OSTα的TM5-TM6溝槽疏水殘基以及富含半胱氨酸的IL2環(huán)從線蟲到人類都高度保守。更值得注意的是，OSTα的折疊方式與TMEM184蛋白家族存在顯著的結(jié)構(gòu)同源性，而TMEM184的同源物在錐蟲等早期分支的真核生物中就已經(jīng)出現(xiàn)。這意味著這種依賴棕櫚酰化修飾來輔助底物轉(zhuǎn)運(yùn)的策略很可能是一個(gè)古老且廣泛保守的機(jī)制，其起源時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于脊椎動(dòng)物膽汁酸循環(huán)系統(tǒng)的出現(xiàn)。

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