杨洪远/吴嘉炜合作团队发现胆固醇运输到质膜的关键调控分子

图片引自：https://biologywise.com/cell-membrane-structure-function

细胞质膜PM（Plasma Membrane）是隔离细胞内外的主要屏障，能够维持胞内环境的相对稳定，通过细胞传导控制细胞功能，还能通过内吞、胞吐作用选择性地运输物质。细胞膜主要由脂质和蛋白质构成，其中胆固醇和PI(4,5)P2是高等生物细胞质膜上两种重要脂质，维持它们的正常含量对于维持质膜及细胞的功能至关重要。细胞内的胆固醇或由内质网合成，或由体外通过内吞摄取。但细胞中接近90%的胆固醇分布于质膜上。胆固醇是如何到达质膜上长期以来是一个难解的课题。

2018年12月20日，澳大利亚新南威尔士大学杨洪远研究组和清华大学生命科学学院吴嘉炜研究组合作，在Molecular Cell上在线发表了题为ORP2 delivers cholesterol to the plasma membrane in exchange for phosphatidylinositol 4, 5-bisphosphate (PI(4,5)P2)的研究论文，发现氧化固醇结合蛋白相关蛋白2（oxysterol binding protein (OSBP)-related protein 2，ORP2）能够选择性地将胆固醇运送到质膜上，同时将细胞质膜上的PI(4,5)P2运走，并提出了一个ORP2调节质膜上这两种重要脂质含量的分子模型。

在这项研究中，研究人员首先通过小通量筛选，作者发现过表达ORP2使得胆固醇积累在质膜内侧，并使得质膜上PI(4,5)P2的含量降低；而当在HEK293细胞中敲除ORP2后，细胞质膜上PI(4,5)P2的含量增加，胆固醇的含量降低。

ORP2属于氧化甾醇结合蛋白OSBP（oxysterol binding protein）及其相关蛋白ORPs（OSBP-related proteins）家族。在真核生物中，该家族成员高度保守，可以参与多种脂质的转运，或通过感受脂质分布的变化而调控细胞功能【1-3】。ORP2被认为是胞浆蛋白，但作者们发现ORP2可以瞬时结合质膜，从而促进胆固醇和PI(4,5)P2的交换。

D4H (一种细胞内胆固醇探针) 通常在胞浆里。ORP2过表达使D4H聚集在质膜上。

OSBP/ORPs家族成员都具有一个非常保守的ORD结构域（OSBP-related domain），能够结合、转运特定的脂质。为了证实ORP2可以同时转运胆固醇和PI(4,5)P2，作者制备了ORP2-ORD结构域的重组蛋白，并构建了一套体外检测该家族成员生物活性的荧光光谱方法，可以测定蛋白从脂质体（liposome）中取出脂质的能力，或将与蛋白结合的脂质卸载到脂质体上的能力，也可以实时检测蛋白在两种不同脂质体之间转运脂质的过程。结果表明：1）ORP2-ORD可结合胆固醇和所有的磷脂酰肌醇，但不能结合磷脂酰丝氨酸；2）ORP2-ORD可交互转运胆固醇和PI(4,5)P2，并且两者可以互相促进对方的转运；3）被认为是ORP家族通用配体的PI4P不能促进ORP2-ORD转运胆固醇的能力。

ORP2-ORD体外转运DHE/cholesterol (A)和PI(4,5)P2 (B)

为了进一步揭示ORP2发挥生理功能的分子机制，研究人员解析了ORP2-ORD与PI(4,5)P2复合物的晶体结构，并通过分子动力学模拟获得了ORP2-ORD结合胆固醇的可能构象（下图）。ORP2-ORD分子中心有一个疏水口袋，可以结合脂质分子的疏水部分，如胆固醇和PI(4,5)P2的酰基链。值得注意的是，ORP2-ORD的N端有一个loop区和一个“盖子区”（lid region），在结合不同脂质时呈现不同构象：ORP2-ORD结合胆固醇后呈现“closed”构象，将胆固醇分子完全包埋在ORP2-ORD的内部；在PI(4,5)P2结合时，ORP2的盖子区处于“open”构象，PI(4,5)P2并未完全包埋在ORP2-ORD的内部。

(A) ORP2-ORD结合PI(4,5)P2呈“open”构象；(B) PI(4,5)P2诱导ORP2-ORD形成四聚体；(C) ORP2-ORD结合Cholesterol呈“closed”构象.

在结构分析的基础上，作者进行了大量生化验证实验，发现当特定氨基酸的突变影响了其中一种脂质（胆固醇或PI(4,5)P2）的结合时，不仅影响这种脂质的转运，还会进一步影响ORP2交互转运胆固醇和PI(4,5)P2的能力；更重要的是，ORP2在结合PI(4,5)P2后可以形成四聚体（上图），从而稳定结合四个PI(4,5)P2分子，而且PI(4,5)P2诱导的ORP2-ORD四聚化对于ORP2交互转运胆固醇和PI(4,5)P2是必需的。

总的来说，这项工作发现了第一个能定向把胆固醇运到质膜的分子，而且是通过PI(4,5)P2介导。未来的工作重点就是研究这条通路的生理意义，尤其是ORP2和血浆中胆固醇的关系。

据悉，清华大学生命科学学院博士生王欢、新南威尔士大学马千里和齐延飞为本文共同第一作者，澳大利亚新南威尔士大学杨洪远教授和清华大学吴嘉炜教授为本文共同通讯作者。