李龙/宋晨/高宁课题组合作揭示膜蛋白进入脂膜折叠的分子过程-生命科学联合中心

首页 > 科学研究 > 科研进展 > 正文

科研进展

李龙/宋晨/高宁课题组合作揭示膜蛋白进入脂膜折叠的分子过程

2025-02-20 点击：

◆ ◆ ◆ ◆

李龙/宋晨/高宁课题组合作揭示膜蛋白进入脂膜折叠的分子过程

膜蛋白约占细胞蛋白质总数的四分之一，是生物膜的重要组成部分，广泛参与各种生命活动。膜蛋白的生物合成和折叠对细胞功能至关重要，其功能障碍与诸多人类疾病息息相关。由于膜蛋白独特的疏水性，其合成过程受到高度调控，确保膜蛋白的新生肽链能够高效地从细胞质运输进入脂膜，并正确折叠成为有功能的膜蛋白。Sec复合物（Sec translocon）作为最重要的膜蛋白转位机器，控制绝大多数膜蛋白的入膜通路，因此也被称为“膜蛋白之母”。Sec转位复合物的序列和功能高度保守，早在八十年代就通过遗传筛选被鉴定出来，原核细胞中定位在细胞质膜，被命名为SecY；真核细胞中定位在内质网膜，被命名为Sec61。在之后的几十年里，领域内对SecY/Sec61介导的蛋白转位机制进行了持续、广泛和深入的研究，形成了Sec复合物以门控通道的形式帮助膜蛋白进入细胞膜的共识。在转位过程中，细胞质中的核糖体与膜上的Sec结合，正在被合成的膜蛋白新生肽链出核糖体后立即进入Sec通道，然后被释放进入磷脂双分子层形成正确折叠的膜蛋白。然而在这一过程中，新生肽链的多次跨膜片段的顺序转位机制一直很不清楚，肽链运动与折叠的空间和时序关系一直困扰科学界：疏水的跨膜片段如何穿过狭窄的亲水通道并正确折叠？解开这些谜题的难点在于蛋白转位是一个瞬时且高度动态的过程。如何让蛋白转位运动慢下来便于深入研究呢？

北大-清华生命科学联合中心/生命科学学院李龙课题组长期致力于研究蛋白质转位的分子过程，重点发展技术平台，综合利用化学生物学、生物化学、生物物理和遗传筛选等技术手段捕获蛋白质转位运动的瞬时中间状态，在分子层面揭示蛋白转位过程的动态全貌。

2025年2月19日，北大-清华生命科学联合中心的李龙课题组、宋晨课题组和高宁课题组合作，在Cell期刊上发表了题为“SecY translocon chaperones protein folding during membrane protein insertion”的研究论文。该论文捕获了膜蛋白转位过程中的一系列中间状态，揭示Sec转位复合物在膜蛋白转运过程中不仅提供蛋白质穿膜的通道，更扮演“分子伴侣”的重要角色。研究结果第一次在分子水平揭示了膜蛋白转位与折叠的关系，提出“共转位折叠”的概念，为理解膜蛋白的生物合成提供了新的研究方向。

为了捕获膜蛋白转位的中间状态，李龙课题组在细胞内建立了蛋白转位复合物的组装体系，筛选合适的跨膜螺旋片段作为底物，利用绿色荧光蛋白（GFP）阻滞蛋白转位过程，同时通过引入二硫键交联、纳米抗体、以及纳米脂盘等技术稳定膜蛋白转位的中间态。与高宁课题组合作，利用冷冻电子显微镜技术，首次获得了跨膜蛋白转运中间态的高分辨率结构。结果显示，底物的第一个跨膜片段位于SecY通道外，以螺旋的形式插入脂质中，从外部打开SecY通道的侧门。第二个跨膜片段位于通道中，前半段呈现去折叠的展开状态；后半段在通道中以螺旋形式存在，代表在转位后期的折叠状态。宋晨课题组在此基础上系统性地利用分子动力学模拟，进一步证明了SecY通道前半段（细胞质腔）和后半段（细胞外腔）的结构分别为促进跨膜片段的展开和折叠创造了两种截然不同的物理化学环境，为SecY的“分子伴侣”功能提供了直接物质基础。更有趣的是，在两腔之间的孔环区域，底物肽段呈现伸展的螺旋状和锯齿状构象，这种展开的构象可帮助多肽底物通过狭窄的中心孔环。上述结果揭示了SecY在转位过程中对膜蛋白底物实施的“去折叠助运动”，以及“促折叠助释放”的精巧策略。

研究进一步以细菌视紫红质HmBRI为跨膜底物，捕获该膜蛋白在顺序转位过程中，第三个及第七个跨膜片段进入细胞膜的转位中间体。结果发现在SecY转位通道外侧与脂膜的交界面上存在一个 “亲水凹槽”，由数个高度保守的亲水氨基酸组成。由于该亲水凹槽深入疏水的脂膜，造成局部磷脂双分子层的变薄和破坏，为那些已经从通道释放，但是还未折叠的底物跨膜区段创造稳定环境。全新设计的蛋白转位双荧光报告实验和蛋白质组学分析表明，破坏该亲水凹槽导致膜蛋白在细胞水平出现全局性折叠缺陷，进一步证实SecY通道在膜蛋白折叠过程中的重要性。

图1 Sec复合物促进膜蛋白的跨膜及正确折叠

图左部为细胞内SecY介导的膜蛋白转位示意图；上部为放大的膜蛋白转位中间态示意图；下图为膜蛋白转位过程中SecY及膜蛋白底物局部细节图，红色虚线圈注SecY作为“分子伴侣”帮助膜蛋白底物入膜折叠的关键位点。

综上所述，这一系列实验结果揭示了Sec转运复合物前所未知的精妙组织方式，改写了对Sec功能的传统认知，提出Sec不仅仅只是被动的“蛋白通道”，更发挥不可或缺的“分子伴侣”功能，利用多种分子机理帮助膜蛋白入膜折叠。本研究为理解膜蛋白的转运机制提供了全新视角，并为研究膜蛋白折叠失衡相关的疾病提供了新的思路。

北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心李龙研究员，高宁教授以及前沿交叉学科研究院定量生物学中心、北大-清华生命科学联合中心宋晨研究员为该论文通讯作者，2022级生科院博士生欧晓敏，高宁实验室前博士后马成英博士，李龙实验室前技术员孙东杰，李龙实验室前博士后许金坤和宋晨实验室前博士后王洋为共同第一作者。2022级生科院博士生吴晓飞，宋晨实验室前博士生王大力和杨嵩为该研究工作做出了重要贡献。北京大学生科学院昌增益教授对光交联实验提供了大力帮助。哈佛医学院Tom Rapoport教授对论文写作提供了重要指导。北京大学国家蛋白质科学中心张琪博士、刘栋博士，北京大学医学部刘小云研究员在质谱数据收集和分析方面提供了大力帮助。整个研究过程也得到了很多国内同行的热心指导和支持。该研究工作得到北京大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、生科院仪器中心、国家凤凰蛋白质平台以及北极星等超算平台的支持。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国博士后科学基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.037

李龙

北京大学生命科学学院研究员

北大-清华生命科学联合中心PI

邮箱：

long_li@pku.edu.cn

实验室主页：

http://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/629.html

研究领域：

生物大分子跨膜运输机制、纳米抗体表面展示平台

实验室的主要研究方向为生物大分子的跨膜运输机制。细胞和细胞器与外界的交流和调控均需要通过细胞膜，因此生物大分子的跨膜运输是细胞进行各项正常生理活动的关键步骤。跨膜运输是一个动态，有序，并且受到严格调控的过程。在分子水平上，蛋白与磷脂分子的特异性相互作用控制着跨膜运输。一系列膜蛋白行使转运酶和转运通道的功能，保持跨膜转运的动态平衡。大量的临床数据显示，很多疾病是由转运蛋白的突变引起的。因此，对跨膜转运的分子机理研究将为相关疾病的治疗提供关键的药物靶点。我们实验室从一系列转运通道和转运酶入手，利用生物化学和结构生物学的方法，力图揭示其分子转运的循环和调控过程。

此外，实验室还致力于发展和应用纳米抗体技术。纳米抗体是一类单链单结构域抗体，主要存在于骆驼科的动物体内。与传统的抗体比较，纳米抗体有结构简单，非常稳定，易于表达与突变等优点。我们利用纳米抗体高度特异性结合的特点来稳定蛋白复合物的中间状态，从而帮助生化和结构生物学的研究。我们将建立表面展示平台，筛选和优化在生物技术和药物开发上有广泛应用的纳米抗体。

宋晨

北京大学前沿交叉学科研究院/定量生物学中心研究员

北大-清华生命科学联合中心PI

邮箱：

c.song@pku.edu.cn

实验室主页：

https://www.songgroup.org/

研究领域：

1．运用多尺度计算模拟方法及深度学习技术，对离子通道等膜蛋白的微观功能机理予以揭示，深入地理解跨膜信号传导和物质转运过程，以及膜蛋白与细胞膜的相互作用等；

2．发展物理模拟和深度学习相结合的计算方法，对蛋白质的动态结构、热力学性质和动力学过程进行预测性模拟；

3．基于计算，探索膜蛋白的改造设计、以膜蛋白或细胞膜为靶标的药物分子的设计与优化等。

高宁

北京大学生命科学学院教授

北大-清华生命科学联合中心PI

邮箱：

gaon@pku.edu.cn

实验室主页：

https://bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/596.html

研究领域：

生物物理学、蛋白质结构和功能、核酸生物学、染色质生物学

研究兴趣：

高宁实验室围绕着细胞生命活动的基本功能，主要运用冷冻电镜技术研究与重大生命过程相关的分子机器的结构和功能，探索重要的基础生物学机制问题及相关的人类重大疾病的发生机制。近年来,实验室的科研工作聚焦于核酸-蛋白复合物分子机器及成分复杂的大型蛋白复合物。实验室的重要研究领域包括：（1）病原体的核糖体是很多抗菌药物的天然靶点，同时人源核糖体生物生成（ribosome biogenesis）也在多种人类肿瘤细胞中异常上调，并且和肿瘤转移的能力正相关。实验室以细菌、酵母、人源细胞系作为模型，研究人类病原体、模式生物以及人类核糖体的生物组装机制，不同核糖体结合蛋白在蛋白翻译中的新颖调控功能和分子机制，以及潜在药物靶标；（2）DNA复制是分子生物学的核心环节，DNA复制的紊乱也是众多肿瘤的一项标志性特征。实验室研究真核生物DNA复制起始过程的蛋白质分子机器的结构和工作机制；（3）实验室同时也和众多课题组紧密合作，包括临床科学家，研究人类重大疾病的发生发展机制，以及可能的干预和治疗手段。