揭示人類ABCC2跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)膽紅素的分子機(jī)制

伴隨著衰老或異常紅細(xì)胞的清除，游離的血紅素同時(shí)被分解代謝。膽紅素是血紅素分解產(chǎn)生的一種高度疏水性分子，在人體內(nèi)的積累常常導(dǎo)致各種疾病，包括黃疸和嚴(yán)重肝臟疾病。在肝細(xì)胞中，膽紅素經(jīng)過與葡萄糖醛酸綴合，生成親水性的綴合膽紅素，最終被轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCC2清除。人類ABCC2屬于ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族C亞家族，同時(shí)是一種多藥耐藥蛋白（MRP），定位于肝細(xì)胞的膽小管膜上，利用ATP水解產(chǎn)生的能量將葡萄糖醛酸膽紅素從肝細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)到膽汁中進(jìn)行代謝。先天ABCC2的功能缺陷導(dǎo)致綴合膽紅素在肝細(xì)胞中積累，誘發(fā)遺傳性綴合型高膽紅素血癥，又稱為杜賓-約翰遜綜合征（Dubin-Johnson syndrome）。除此之外，作為一種多藥耐藥蛋白，ABCC2還可以外排谷胱甘肽化的多種抗癌藥物，導(dǎo)致耐藥性。然而，ABCC2的三維結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)運(yùn)廣譜底物的分子機(jī)制未知。

近日，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(shù)解析了人類合膽紅素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCC2的無配基(apo-form)以及分別結(jié)合底物類似物和ATP/ADP的三種狀態(tài)的三維結(jié)構(gòu)，整體分辨率分別為3.6、3.3和3.6 ?（圖1）。基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)以及生化分析，作者提出了一種獨(dú)特的調(diào)控結(jié)構(gòu)域（R-domain）精細(xì)調(diào)控ABCC2底物識(shí)別的轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制，相關(guān)研究成果以“Transport mechanism of human bilirubin transporter ABCC2 tuned by the inter-module regulatory domain”為題于2024年2月5日在線發(fā)表在《Nature Communications》上。

結(jié)構(gòu)分析表明，apo-form ABCC2結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)開口(inward-facing)的構(gòu)象，兩個(gè)核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域(NBD)彼此分開。連接NBD1與跨膜結(jié)構(gòu)域TMD2的調(diào)控結(jié)構(gòu)域（R-domain）折疊成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，并結(jié)合到底物轉(zhuǎn)運(yùn)口袋中，阻止底物的結(jié)合，將蛋白質(zhì)鎖定在非活性構(gòu)象。一旦結(jié)合生理底物類似物--二牛磺酸膽紅素（BDT），ABCC2仍然處于inward-facing構(gòu)象，但是R結(jié)構(gòu)域從底物結(jié)合口袋中釋放。基于結(jié)構(gòu)和生化分析結(jié)果，我們推測R結(jié)構(gòu)域作為競爭性親和力過濾器，阻止某些低親和力底物的結(jié)合，以確保高親和力綴合膽紅素優(yōu)先向外轉(zhuǎn)運(yùn)。ATP結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)ABCC2的構(gòu)象轉(zhuǎn)變，NBD二聚化后ATP分子被水解，ABCC2轉(zhuǎn)變?yōu)榉忾]構(gòu)象，底物釋放到膽小管中。在這種構(gòu)象中，R結(jié)構(gòu)域與跨膜螺旋TM14和TM15結(jié)合，使ABCC2穩(wěn)定在這種ATP/ADP結(jié)合的活性轉(zhuǎn)換中間態(tài)，確保底物的有效轉(zhuǎn)運(yùn)（圖2）。基于上述研究，可以清晰解釋R1150H突變體因?yàn)闇p弱了R結(jié)構(gòu)域與TMD2的結(jié)合，使得ABCC2的轉(zhuǎn)運(yùn)活性受損，因此導(dǎo)致臨床疾病。該研究不僅描繪了ABCC2在R結(jié)構(gòu)域精細(xì)調(diào)控下的分子模型和底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，還為ABCC2功能異常導(dǎo)致的杜賓-約翰遜綜合征的提供了分子病理學(xué)依據(jù)。

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