我院陈宇星教授和周丛照教授课题组利用单颗粒冷冻电镜技术解析了分辨率约为3.3Å的人类胆固醇外排转运蛋白ABCG1与底物胆固醇、ATP及鞘磷脂分子复合物三维结构。基于结构开展的一系列生物化学和细胞生物学研究，揭示了胆固醇经由ABCG1跨膜外排的分子机制，发现胆固醇接收器和膜上鞘磷脂分子是外排活性所必需的。相关研究成果以“Structure and Transport Mechanism of the Human Cholesterol Transporter ABCG1”为题于2022年1月25日在线发表在《Cell Reports》上。

胆固醇作为哺乳动物细胞质膜的主要成分，在维持膜流动性和稳定性以及合成胆汁酸、类固醇激素和维生素D等代谢过程中发挥着关键作用。细胞内多余的胆固醇可以通过逆向胆固醇运输(RCT)途径从外周组织细胞转移到肝脏。当RCT功能异常时，胞内的胆固醇会过度累积，最终导致动脉粥样硬化，即目前全球第一的致死疾病。ABCG1作为RCT途径中负责向胞外转运胆固醇的关键膜蛋白，其功能异常与动脉粥样硬化等重大疾病具有高度相关性。

 图1 ABCG1的三维结构及其介导胆固醇转运的分子机制

该文报道了ABCG1一个呈现向胞内开口构象的三维结构。由于同时结合了ATP和底物分子，该结构处于构象变化交替的中间态。基于结构分析、生物化学和细胞生物学实验，作者鉴定了ABCG1结合胆固醇底物的氨基酸残基，阐释了蛋白-底物的相互作用模式，并发现在底物结合口袋出口处存在一组苯丙氨酸残基对于底物转运非常重要。相应的生物化学实验揭示了ABCG1活性同时依赖于胆固醇接收器—高密度脂蛋白HDL。研究人员还借助质谱技术，发现在蛋白底物结合口袋附近特异性结合的鞘磷脂组分。结构分析和功能实验结果显示，该鞘磷脂分子是ABCG1介导胆固醇转运所必需的。基于上述实验结果，作者提出了一个ABCG1介导胆固醇外排机制模型：鞘磷脂协助胆固醇与ABCG1结合，并参与形成完整的结合口袋以稳定底物分子，胞外结合的HDL促进胆固醇从ABCG1底物口袋中外排（图1）。该研究不仅揭示了ABCG1与胆固醇的相互作用模式以及HDL对于胆固醇外排转运的重要性，也进一步完善了胆固醇代谢的调控网络，对胆固醇代谢失调相关疾病的防治具有重要的理论指导意义。

陈宇星教授、周丛照教授和侯文韬特任副研究员为该论文的共同通讯作者，徐达博士为该论文的第一作者。冷冻电镜数据收集工作在中国科学技术大学生物成像中心完成。该研究工作得到了西湖大学生命科学学院李颜颜研究员和中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室姚雪彪教授、杨丰瑞博士的大力帮助，并得到了来自科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

原文链接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)00004-3