《PNAS》：四足行走病研究获新突破

　　

The model of the ATP8A2 flippase transport mechanism developed by the researchers is shown

生物通报道：几年前，有研究人员曾描述过一个土耳其家庭，其家庭成员以四足行走，因为他们缺乏平衡感。这种情况是由罕见的神经系统疾病CAMRQ（细胞脂质泵的突变所导致）引起的。但是，为什么遗传错误会产生如此严重的后果，尚不明确。

这一发现，为丹麦一项脂质泵重要功能（所谓的翻转酶，将脂质从膜的一侧翻转到另一侧的酶）的机制研究，提供了灵感。目前，来自丹麦奥胡斯大学的研究人员提出了一个假说，可以解释翻转酶如何发挥作用，从而发现了困扰研究人员多年的一个基本研究问题的答案。相关研究结果发表在最近的《PNAS》杂志。

世界各地研究人员的基本问题
在细胞中有14种不同类型的翻转酶。丹麦研究人员与来自瑞士和加拿大的同事合作，对脂质分子如何在两层细胞膜之间进行转移，提出了一种模型。在实验室中，研究人员通过在一种翻转酶（ATP8A2）上模仿土耳其家族突变，制备了这种模型，然后利用计算机模拟来研究翻转酶的结构变化。

本文第一作者、博士后Anna Lindeløv Vestergaard指出：“利用这个模型，我们发现了被称为‘巨大底物问题’的可能答案。以前我们一直不能解释，一个相对较小的蛋白质如何运输细胞膜中的大脂质分子。自翻转酶蛋白质的存在和大小变得出名以来，这个根本问题一直困扰着世界各地的研究人员。利用新的知识，我们可以了解突变如何干扰脂质运输机制，从而以这种方式引发疾病。”

基于丹麦的一项诺贝尔奖研究
这项研究，是基于诺贝尔奖获得者、丹麦科学家Jens Christian Skou所奠定的研究基础，他在20世纪50年代首次发现了细胞泵功能，所谓的钠钾泵，并于1997年因发现钠钾泵而被授予诺贝尔化学奖。多年来，钠钾泵一直是奥胡斯大学的一个重点研究领域。

翻转酶和钠钾泵属于一组泵蛋白，该蛋白组共有36种不同的泵蛋白，存在于人体细胞的细胞膜中。这些泵至关重要，翻转酶的遗传缺陷除了引起土耳其家族疾病之外，还可以引起致命的Byler肝脏疾病、非自愿不生育和神经系统疾病，如阿尔茨海默氏病。

Anna Lindeløv Vestergaard博士称：“细胞内的36个泵中有14个是翻转酶。仅仅出于这个原因，我们就有理由相信，它们发挥了重要的作用。翻转酶的遗传缺陷，可能会引起比我们当前认识到的疾病还要更多的疾病。基本的科学认识是第一步。从长远来看，它可以使我们更好地诊断和治疗翻转酶错误所引发的疾病。这一新知识，也可以用于新药开发，因为翻转酶也能转运脂溶性药物。一旦我们知道药物如何能够进入细胞，它就可以使治疗更有针对性和更有效。”

迈向更多知识的重要一步
翻转酶可确保脂质双层之间有不对称性，以便于使膜弯曲，这是必要的，以使细胞能够分裂或融合。这也意味着，翻转酶在某些过程中具有重要的意义，如胚胎发育、受精和细胞到血液中的激素排泄。

本研究通讯作者Peter Andersen教授指出：“我们推测，我们发现的基本机制，对于人类和动物中所有的翻转酶来说，都是非常普遍的。所以，这是迈向更多知识的第一步。”

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
Critical roles of isoleucine-364 and adjacent residues in a hydrophobic gate control of phospholipid transport by the mammalian P4-ATPase ATP8A2
Abstract：P4-ATPases (flippases) translocate specific phospholipids such as phosphatidylserine from the exoplasmic leaflet of the cell membrane to the cytosolic leaflet, upholding an essential membrane asymmetry. The mechanism of flipping this giant substrate has remained an enigma. We have investigated the importance of amino acid residues in transmembrane segment M4 of mammalian P4-ATPase ATP8A2 by mutagenesis. In the related ion pumps Na+,K+-ATPase and Ca2+-ATPase, M4 moves during the enzyme cycle, carrying along the ion bound to a glutamate. In ATP8A2, the corresponding residue is an isoleucine, which recently was found mutated in patients with cerebellar ataxia, mental retardation, and dysequilibrium syndrome. Our analyses of the lipid substrate concentration dependence of the overall and partial reactions of the enzyme cycle in mutants indicate that, during the transport across the membrane, the phosphatidylserine head group passes near isoleucine-364 (I364) and that I364 is critical to the release of the transported lipid into the cytosolic leaflet. Another M4 residue, N359, is involved in recognition of the lipid substrate on the exoplasmic side. Our functional studies are supported by structural homology modeling and molecular dynamics simulations, suggesting that I364 and adjacent hydrophobic residues function as a hydrophobic gate that separates the entry and exit sites of the lipid and directs sequential formation and annihilation of water-filled cavities, thereby enabling transport of the hydrophilic phospholipid head group in a groove outlined by the transmembrane segments M1, M2, M4, and M6, with the hydrocarbon chains following passively, still in the membrane lipid phase.