白晨课题组在Biomedicines发表文章揭示P4-ATP激酶的磷脂跨膜转运机制

Feb. 14, 2023

生物膜两侧脂质的不对称分布是真核生物的一个显着特征。磷脂酰丝氨酸（PS）、磷脂酰乙醇胺（PE）和磷酸肌醇（PPIns）主要位于内侧，而磷脂酰胆碱（PC）和鞘磷脂（SM）则集中在细胞外侧。脂质的不对称分布在囊泡形成、血液凝固、细胞信号传导和胆固醇稳态等细胞过程中起着关键作用。不对称分布的破坏将使得细胞间相互作用丧失，可能导致细胞死亡。P4-ATPase 通过将特定脂质从膜外侧翻转到膜内侧来帮助维持脂质的跨膜不对称性。

P4-ATPase 通常由两部分组成。第一部分是主要部分，具有三个主要的细胞质结构域（actuator (A) 结构域、nucleotide-binding (N) 结构域、phosphorylation (P) 结构域）和十个跨膜螺旋 (TM1-TM10)。第二部分是伴随亚基 CDC50，具有两个跨膜螺旋（TM1、TM2）和八个 β-sandwiches结构。磷脂如何通过 P4-ATPase 转运仍在争论中。P4-ATPase 结构生物学与 X 射线衍射和冷冻电子显微镜实验的最新进展展示了磷脂转运周期中重要中间状态的高分辨率结构。 Hiraizumi 等人基于低温电子显微镜确定了人 ATP8A1-CDC50 异二聚体的六种结构。这六种重要的中间体包括：apo 形式的 E1 状态、ATP 类似物结合的 E1-ATP 状态、磷酸盐类似物和 ADP 结合的 E1P-ADP 状态、瞬时磷酸化 E1P 状态、向外开放的 E2P 状态和磷脂-绑定 E2Pi-PL 状态。 在 E1 状态下，蛋白质在活性位点没有配体。当 ATP 与 N domain结合时，N domain和 P domain相互靠近，A domain被稍微推出。 ATP 水解后，ADP 从 N domain 中释放出来，产生高能瞬态 E1P 状态。随后，A domain向N domain靠拢，C端调控域插入P、N domain，维持E2P状态的稳定。 TM1 和 TM2 在 A domain重排后更加灵活，它打开通道并为与 P4-ATPase 结合的磷脂提供空间。运输的磷脂扩散到内部小叶中，翻转酶返回到载脂蛋白状态，为下一个运输周期做好准备。

结构信息揭示了磷脂运输循环中的标志性构象，但不足以提供运输过程中的能量和动力学细节。在计算方面，主要问题是如何用有限的时间和计算资源捕获大型复杂系统的自由能分布。多尺度建模提供了一种有用的方法来估计自由能分布，而无需花费大规模计算资源。在这里，作者使用 Arieh Warshel 课题组开发的粗粒度 (CG) 模型研究磷脂转运的进展。该 CG 模型侧重于改进静电特征的描述，并已被验证可在许多生物系统中提供可靠的自由能估计，包括 F0-ATPase、GPCR、肌球蛋白等。使用上述 CG 模型计算构象变化的自由能分布。通过使用 PDLD/SLRA/β 方法，获得了磷脂转运过程中磷脂和 P4-ATPase 之间的结合自由能谱。揭示了磷脂结合机制和关键残基的细节，为理解磷脂转运过程奠定了基础。