我国科学家首次解析出NPC1蛋白结构

为治疗尼曼-皮克病和防御埃博拉病毒打开新大门

2016年05月30日  来源：人民网-科技频道

人民网北京5月29日电 （记者赵永新）在罕见遗传疾病“尼曼-皮克病”病人的细胞中，胆固醇为何不能正常代谢？导致埃博拉疾病的病毒进入人体细胞后又是如何“继续捣乱”的？清华大学颜宁课题组与中国疾控中心、中科院微生物组高福院士课题组合作的一项最新成果，在世界上首次解析出与上述两种疾病相关的关键因子——NPC1蛋白的清晰结构，并初步揭示了它的工作过程，从而为干预、治疗这两种疾病打开了新大门。

颜宁教授过去9年一直针对胆固醇代谢调控通路进行系统的结构生物学与生物化学研究，并在近两年开始报道研究成果；高福院士一直从事包括埃博拉病毒在内的重大传染疾病相关病毒入侵机制的结构生物学研究。他们合作的研究论文《NPC1蛋白介导胆固醇转运和埃博拉病毒入侵的分子机制》，发表在5月26日的《细胞》(Cell)杂志上。

该论文在国际学术界首次报道了人源胆固醇转运蛋白NPC1的4.4埃分辨率冷冻电镜结构，并通过大量生化分析探讨了NPC1和NPC2两个蛋白协作介导细胞内胆固醇转运的分子机制；同时还报道了NPC1与埃博拉病毒表面蛋白GPcl复合体6.6埃分辨率的冷冻电镜结构，为理解NPC1介导埃博拉病毒入侵的分子机制提供了分子基础。

尼曼-皮克病（英文名字Niemann-Pick疾病）于1914年由科学家Niemann报告第1例，并于1922年由科学家Pick详细描述了其病理检查结果，是一类因为胆固醇、鞘磷脂等脂类代谢失常而导致的罕见遗传疾病，目前还没有有效的治疗手段。

NPC1异常是C型Niemann-Pick疾病的主要致病因素。那么，它与细胞内的胆固醇有何关联？过去近20年的遗传和生化实验发现，NPC1蛋白是胆固醇在人体细胞内不可或缺的搬运工。富含胆固醇的低密度脂蛋白（LDL），首先被细胞膜表面的受体介导进入细胞内的溶酶体，溶酶体中的NPC2蛋白从LDL中将胆固醇抽提出来，再传递给位于溶酶体膜上的NPC1蛋白，最后NPC1与下游蛋白合作、将胆固醇传递到细胞的其他部位，进而发挥诸如合成胆酸、维生素D、类固醇激素等生物学功能。如果NPC1发生突变，会导致胆固醇在溶酶体中的异常堆积，从而可能导致病人肝脏、肾脏、脾脏甚至脑部的脂类过量积累，造成这些器官发生病变，并可能致死。为何这些NPC1突变会使胆固醇不能正常代谢？要揭开这些谜团，获取NPC1的清晰结构是关键一步。

据介绍，NPC1是一个由1278个氨基酸组成并含有13次跨膜螺旋的膜蛋白。由于它的分子量过小、而且十分不稳定，利用电镜对它进行结构生物学研究是一个挑战。在研究过程中，颜宁研究组的周强博士开发了一种新型的“随机相位3D分类”电镜数据处理方法，从而将这一并不十分稳定的单体膜蛋白结构解析到4.4埃（1埃等于0.1纳米，即一亿分之一米，10-10米），并且在结构的基础上通过生化分析初步揭示NPC1和NPC2相互识别转运胆固醇的分子机制，以及与C型Niemann-Pick疾病相关的个别突变的致病机理，并为今后的研究奠定了基础。

过去几年的研究发现，NPC1除了在细胞内的胆固醇转运过程中发挥重要功能，它还是人体细胞内的埃博拉病毒受体，在埃博拉病毒的入侵过程中发挥着不可替代的功能。埃博拉病毒表面的糖蛋白进入溶酶体后会发生酶切，酶切之后的糖蛋白(GPcl)可以和NPC1蛋白直接结合，从而引发病毒与宿主细胞内的膜融合过程，导致疾病的发生。

由此可见，GPcl与NPC1结合是埃博拉病毒“放毒”的关键环节。那么，NPC1与GPcl是怎样结合的？颜宁课题组与高福课题组合作，解析出NPC1与GPcl结合体分辨率为6.6埃的冷冻电镜结构。结构分析显示：一个NPC1蛋白单体与一个GPcl三聚体通过一个单一界面互相识别。这一发现与2016年初高福课题组得出的结果互相吻合，从而为进一步研究NPC1介导的埃博拉病毒入侵机制，和如何通过破坏这一识别界面进行干预提供了分子基础。

据悉，颜宁教授已受邀，将再美国举行的尼曼-皮克病综合研讨会上做相关学术报告。