新研究發現磷脂酰肌醇二磷酸PIP2調控pH調節蛋白AE2活性的機制

2024年1月26日，北京大學基礎醫學院系統生物醫學研究所尹玉新課題組在《NatureCommunications》在線發表題為“Structural and functional insights into the lipid regulation of human anion exchanger 2”的研究論文，報導了陰離子交換蛋白（AnionExchanger）AE2的跨膜區與PIP2的復合體結構以及PIP2結合位點突變AE2的全長高分辨冷凍電鏡結構，并揭示了細胞膜上脂質分子PIP2對AE2活性調控的機制。

細胞內pH受嚴格調控以維持在膜興奮性、細胞骨架動力學和囊泡運輸中起關鍵作用的蛋白質的結構和功能。除氫離子轉運體外，SLC4和SLC26兩個家族是僅有的轉運堿性離子HCO3-的轉運體家族。SLC4家族共有10個成員，根據鈉離子依賴性和轉運電化學特征可分為三類，其中AE1-3（SLC4A1-3）是不依賴Na+的陰離子（Cl–/HCO3–）交換轉運體，而AE2組織分布最為廣泛，參與骨重吸收、胃酸分泌2和膽堿分泌3等生理活動，AE2敲除小鼠模型出現骨硬化癥、無牙齒萌出、胃酸缺乏、雄性不育、膽管損傷等多種表型。AE2的功能異常也會導致人的骨硬化和原發性膽管炎的發生。AE2活性受環境pH、NH4+和滲透壓等因素調節，其跨膜結構域（TMD）和胞內N端結構域（NTD）分別參與感受不同因素的調控。

細胞膜蛋白處于被脂質包圍的環境，其活性受脂質調節的機制一直是研究熱點，離子通道的相關研究遠比轉運蛋白的豐富。以往對SLC4家族的研究發現，PIP2能增強它NBCe1（SLC4A4）的功能。然而，2018年和2021年報導的SLC4家族成員NBCe1（SLC4A4）和NDCBE（SLC4A8）的冷凍電鏡結構并未觀察到PIP2的結合。2023年報導的AE1復合體的結構發現PIP2與AE1（SLC4A1）同源二聚體結合，但未進一步研究PIP2對其功能的影響。尹玉新課題組2023年近期報導的SLC4家族成員BTR1（SLC4A11）的PIP2-復合體結構顯示PIP2結合位點突變的BTR1構象與酸性環境中BTR1構象相似，提示了PIP2和pH對轉運體調控的相關性。而AE2作為不依賴Na+的陰離子（Cl–/HCO3–）交換轉運體，其感受pH調控的機制以及PIP2是否參與調控AE2活性的調節尚不清楚。

研究人員通過解析AE2結構發現了結合在跨膜結構域二聚體相互作用界面的PIP2分子。此狀態AE2無明顯的N端胞內結構域密度，跨膜結構域處于inward-facing狀態。PIP2結合位點主要由TM7以及TM12和TM13之間的HL螺旋上氨基酸組成，與之前報導的AE1復合體結構中PIP2位置一致。研究人員在AE2的PIP2結合位點引入突變并對其活性進行檢測，結果顯示TM7上的R932和HL上的K1147以及H1148突變導致AE2轉運活性顯著減弱。藥物處理降低細胞膜上PIP2的水平同樣導致AE2的轉運活性顯著減弱，表明PIP2對轉運體活性起激活作用。

隨后，通過解析PIP2結合位點突變的AE2（R932A/K1147A/H1148A），研究人員發現此狀態AE2的N端胞內區結構域和跨膜結構域存在明顯的相互作用，構象與酸性環境中抑制狀態的AE2結構相似。PIP2缺失引起TM7胞內側部分發生明顯位移，TM10和TM11之間的β折疊與N端結構域相互作用，協同將跨膜區構象穩定在inward-facing狀態。

綜上所述，研究者們通過解析不同狀態的AE2冷凍電鏡結構，發現了AE2的激活因子PIP2，并且從原子水平觀察到了PIP2如何調控AE2跨膜區和胞內區的構象變化，為進一步研究AE2的調控機制提供了結構基礎。

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