神经科学家和肾脏学家联手解析肾脏和大脑中发现的一种关键蛋白质

哥伦比亚大学(Columbia University)肾脏学家和神经科学家的一项合作显示了不同寻常的联盟所产生的价值。他们和其他地方的同事首次揭示了一种生死攸关的蛋白质的肖像，足够清晰，最终揭示了它的工作原理:它是分子乘客的微小渡轮，必须穿越从肾脏和大脑到内耳和肺泡等组织和器官的近万亿细胞膜。

　　

   

   

冷冻电子显微镜显示，巨大的蛋白质巨蛋白蛋白(LRP2)改变了形状。    

细节往往是决定成败的关键。对于编排生命分子业务的蛋白质来说，它们的细节中有魔鬼和天使，小到蛋白质的组成原子。正是在结构的细枝末节上，健康与疾病，甚至生与死的平衡才能得以平衡。

今天发表在《Cell》杂志网络版上的一篇文章显示，哥伦比亚大学肾脏学家和神经科学家的合作显示了不同寻常的联盟所产生的价值。他们和其他地方的同事首次揭示了一种生死攸关的蛋白质的肖像，足够清晰，最终揭示了它的工作原理:它是分子乘客的微小渡轮，必须穿越从肾脏和大脑到内耳和肺泡等组织和器官的近万亿细胞膜。

“随着对这种关键蛋白质的新机制理解，以及它的突变是如何关闭它的，我们希望后续研究能够发现治疗肾脏和脑部疾病的新靶点，”哥伦比亚瓦格洛斯内科和外科医生学院泌尿学和肾脏病学专家和临床医生Jonathan Barasch医学博士说，他是该论文的通讯作者。

Barasch博士和他的合著者设想，新的高分辨率蛋白质结构将为治疗常见疾病指明方向，如急性肾损伤(在美国每年影响超过400万患者)、慢性肾脏疾病(影响全球约8亿人)和阿尔茨海默病(影响全球约3200万人)，以及罕见的Donnai-Barrow综合征(影响不到1000名美国人)。一种遗传疾病会对身体和认知造成多重影响。

这种蛋白质被称为LRP2，是LRP蛋白家族的一员，存在于从蠕虫到人类的各种生物中。与细胞膜上的大多数蛋白质相比，LRPs非常巨大，以至于在20世纪80年代初发现LRP2的科学家Marilyn Farquhar和Dontscho Kerjaschki将其命名为megalin。一些LRP由超过4600个氨基酸组成，这些氨基酸是所有蛋白质的分子组成部分。

在肾细胞中，LRP2对于从体液中过滤的代谢废物中回收可重复使用的分子至关重要，因此身体不需要花费能量和资源来再次制造它们。对于这些细胞中的每一个，都可能有成千上万个LRP2蛋白，像草莓上的种子一样分布在表面。

Barasch博士说:“肾脏面临着回收人体99%通过器官过滤器的盐和水，以及100%的小蛋白质，否则这些小蛋白质会流入尿液并排出体外。关于这种复苏是如何运作的，人们已经有了一般的想法，但它的特殊性现在已经得到了解决。”

这就是Barasch博士的同事们发挥作用的地方。其中一位是Andrew Beenken，哥伦比亚大学的生物化学家和肾病学家，也是这篇论文的第一作者。众所周知，像LRP家族中的膜蛋白很难分离，更不用说详细绘制了。Beenken博士在这一僵局中迈出了一大步，他在这个过程中运用了一系列生化技术。

“当我第一次听说计划做什么时，我认为这是不可能的，”朱克曼研究所的首席研究员、哥伦比亚瓦格洛斯内科和外科医生学院生物化学和分子生物物理学教授Lawrence Shapiro博士说。Shapiro博士在梳理蛋白质的复杂结构如何产生其生物学功能方面的专业知识，将被证明对破译LRP2的转运机制至关重要。

Beenken博士结合了工作技能、创造力和决心，从500只小鼠肾脏中收集了足够的LRP2蛋白，将蛋白质凝固成足够大、足够纯度的样本，以便用先进的显微镜技术进行分析。在收集LRP2分子的过程中，Beenken博士完成了一项生化杰作:捕获了锁定在两种关键构象中的LRP2蛋白质，这是揭示蛋白质在细胞中机器般的作用的关键实验室壮举。这是第二个巨大的研究步骤，这是由共同通讯作者Anthony Fitzpatrick博士领导的，他是低温电子显微镜领域的领导者，特别适合研究大蛋白质和其他生物分子。

Fitzpatrick博士和Beenken博士使用一个两层楼的液氮冷却低温电子显微镜，收集了大量的结构数据，使用Beenken博士来之不易的LRP2样本。然后，通过熟练地使用强大的计算工具来理解数据，研究人员生成了接近原子细节的3D蛋白质结构。

“我们现在有了有史以来最好的LRP2蛋白质的3D地图，”扎克曼研究所的首席研究员、哥伦比亚瓦格洛斯内科和外科医生学院生物化学和分子生物物理学助理教授Fitzpatrick博士说。有了这些地图，他就可以开始梳理LRP2在细胞中起作用的显著机制。

其中一种被绘制出来的构象捕捉到了LRP2在细胞膜上和细胞膜内时的形状。这就是蛋白质从细胞外的液体中(无论是肾脏产生的尿液还是脑细胞周围的液体)接收分子乘客的地方。在这些乘客中有小蛋白质，包括tau蛋白和β淀粉样蛋白(两者都与阿尔茨海默病有关)，胰岛素以及在细胞周围运送维生素A和D的蛋白质。

另一种LRP2构象是蛋白质在被细胞膜包裹后进入的构象，并转移到细胞内的位置。正是在这些小胶囊，即核内体中，形状变化的蛋白质可以使其分子乘客被完整地回收以供进一步使用，或者被分解成可重复使用或一次性的组件。

从这对LRP2结构中，研究小组能够确定这种蛋白质在乘客登机形式和乘客下机形式之间经历了一种类似机器的切换。当LRP2蛋白无突变时，它们成功地维持了例如血液和脑组织中的分子平衡。但是，当LRPs巨大的分子解剖结构发生微小调整时，这些蛋白质就会导致疾病。

例如，在肾细胞中，有缺陷的LRP2蛋白违背了它们恢复蛋白质的正常任务，否则这些蛋白质会在尿液中丢失。这可能导致各种疾病，包括慢性肾病、多奈-巴罗综合征以及新生儿阶段致命的疾病。

在大脑中，LRP2(以及相关的LRP1)通常有助于清除各种毒素，其中包括长期以来与阿尔茨海默病有关的tau蛋白片段。但是LRP家族的蛋白质也被证明可以在脑细胞之间转移这些片段，这可能会导致疾病的发生。

Shapiro博士说:“你可以想象，用一种药物来抑制这种情况的发生可能会有帮助。”

Fitzpatrick博士说:“如果你确切地知道tau蛋白在哪里结合的原子细节，你可能会使用抗体或小分子来阻止它。Cryo-EM可以让你获得所需的细节，以便研究潜在的新疗法。”

Beenken博士说:“这是发现这些LRP蛋白如何工作以及针对一系列疾病的新药靶点的漫长道路的开始。”

Structures of LRP2 reveal a molecular machine for endocytosis