线虫是重要的模式生物,迄今为止,在线虫中的研究已斩获三届诺贝尔奖。线虫之父
Sydney Brenner
和他的四位学生
John Sulston
、
Robert Horvitz
、
Andrew Fire
与
Martin Chalfie
均因在线虫中的研究先后获得了诺贝尔奖。
2006
年,诺贝尔生理或医学奖颁给了两位美国科学家:
Andrew Fire
和
Craig Mello
,以表彰他们在线虫中揭示了双链
RNA
(
dsRNA
)引起
RNA
干扰(
RNAi
)的分子机制。
RNAi
在线虫中有一个显著特性:注射或局部表达双链
RNA
(
dsRNA
),沉默信号能扩散到线虫所有非神经细胞中,包括生殖细胞,导致沉默信号能够传递给下一代。这种
RNAi
传播现象被称为系统性
RNAi
。为了揭示其中的奥秘,哈佛大学
Craig Hunter
教授在
2002
年和
2003
年相继在
SCIENCE
期刊发表论文,揭示跨膜蛋白
SID1
是线虫系统性
RNAi
所必需的核酸转运通道(
channel
)。
人和哺乳动物虽然没有系统性
RNAi
现象,但具有
SID1
的直系同源蛋白
SIDT1
和
SIDT2
。研究发现
SIDT1/2
广泛参与多种核酸转运过程,包括介导
RNA/DNA
进入溶酶体自噬、介导病毒
dsRNA
从晚期内体进入细胞质引起天然免疫反应、介导哺乳动物胃对植物或食物中天然
miRNA
的直接吸收等,是开发口服小
RNA
疗法及研发小
RNA
药物的重要靶点。此外,
SIDT2
还广泛参与脂质代谢、葡萄糖代谢、线粒体质量调控、溶酶体功能、阿尔兹海默症、帕金森症等多种生理与病理进程,使得其作用机理变得更为复杂与神秘。由于
SID1
家族与任何已知的通道蛋白(
channel
)或转运体蛋白(
transporter
)都没有同源性,原子结构信息的缺失严重制约了对其作用机理的理解和靶向药物的开发。
2023
年
6
月
15
日,南开大学龚德顺研究员,联合清华大学闫创业教授和南开大学陈佺教授,合作在
Nature Communications
杂志在线发表了题为
Structural insight into the human SID1transmembrane family member 2 reveals its lipid hydrolytic activity
的研究论文。
该论文首次报道了人源
SIDT2
的高分辨率冷冻电镜结构,发现
SIDT2
并不是通道蛋白,表明其可能以转运体形式发挥核酸转运功能。通过结构分析和功能实验,进一步揭示
SIDT2
是一类膜内脂质水解酶。该研究为揭示
SID1
家族的作用机理迈出了重要一步,为理解
SID1
家族结构与功能的关系提供了全新的视角。
研究者首先在
Hela
细胞中证明人源
SIDT2
具有核酸转运功能,随后通过冷冻电镜的方法解析了全长人源
SIDT2
在三种不同条件下的高分辨率冷冻电镜结构:
apoSIDT2-pH 7.4
,
apoSIDT2-pH 5.5
和
SIDT2-pH 5.5 plus miRNA
。结构显示:
SIDT2
呈现全新的折叠模式,由两个富含
β
折叠片的胞外
/
腔结构域、一个含有
11
次螺旋的跨膜结构域和一个
C
端结构域组成,并形成了稳定的二聚体。跨膜区在距离胞外
/
腔膜表面约
6
Å
处具有一个锌离子催化中心,由三个组氨酸、一个天冬氨酸和一个丝氨酸组成。不同
pH
条件下的
SIDT2
构像完全相同,表明
SITD2
对
pH
不敏感。遗憾的是,加入
miRNA
后,并未发现明显的
RNA
密度。
人源
SIDT2
的冷冻电镜结构
通过
DALI
搜索相似结构,发现
SIDT2
具有与碱性神经酰胺酶和脂联素受体类似的锌离子催化中心。进一步通过酶活实验证明,
SIDT2
可以将
C18
神经酰胺水解为鞘氨醇和脂肪酸,其催化速率与碱性神经酰胺酶、脂联素受体以及
γ-secretase
等膜内水解酶处于同一数量级。此外,
SIDT2
不能水解具有更大头部基团的
C18
鞘磷脂,表明其具有底物特异性。以上结果暗示
SIDT2
的脂质水解酶活性可能具有重要生理意义,为理解
SIDT2
在脂质代谢中的作用机理提供了全新的思路。
综上所述,该研究首次揭示了
SID1
家族的原子结构,并表征了其膜内脂质水解酶特性,但
SID1
家族识别和转运核酸的分子机制仍有待进一步研究。
SIDT2
是一类膜内脂质水解酶
南开大学博士后钱丹丹和清华大学博士后丛野为论文的共同第一作者,南开大学博士生王润浩参与了部分工作,南开大学龚德顺研究员、清华大学闫创业教授和南开大学陈佺教授为论文的共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金委和南开大学中央高校基本科研业务费的支持。
文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-023-39335-2