肺炎支原体是如何从其宿主细胞膜中获取脂质的？

《SCIENCE ADVANCES》：How does Mycoplasma pneumoniae scavenge lipids from its host membranes?

通过结构生物学和分子动力学模拟，揭示了Mycoplasma pneumoniae的P116蛋白作为自足型脂质转运蛋白的机制，包括膜结合的D-和N-结合模式、脂质通过DCA通道的动态传递，以及负载质量调控的构象变化。研究证实P116无需其他蛋白或能量即可完成脂质摄取与转运，为合成生物学提供新模型。

　　在生物系统中，脂质的获取与运输是维持细胞膜结构和功能的重要过程。对于所有生物体而言，细胞必须精确地调节其膜成分，以确保膜的完整性、选择性和功能性。这一过程涉及多种机制，其中非囊泡脂质运输在建立膜身份方面发挥着关键作用。非囊泡运输系统依赖于多种蛋白介导的机制，这些机制在结构、组成和功能上各不相同，以实现从一个膜向另一个膜的定向脂质转移。尽管这些系统在生物学上至关重要，但其分子机制仍然知之甚少，这限制了我们对脂质运输的深入理解。因此，研究这些过程对于解析细胞膜调控机制和设计合成生物学中的脂质运输系统具有重要意义。

本研究聚焦于一种简化型生物模型——肺炎支原体（*Mycoplasma pneumoniae*），该微生物通过从宿主细胞中获取脂质来调整其膜组成。由于肺炎支原体的代谢过程较为简单，它无法合成某些关键的脂质，如磷脂酰胆碱、鞘磷脂和甾醇，因此必须依赖于从宿主细胞中摄取这些脂质。这一过程由一种名为P116的膜锚定蛋白介导。P116是一种同源二聚体蛋白，其结构包含两个大的疏水性腔室，这些腔室能够结合多种脂质。然而，尽管我们已经明确了P116的结构和其对脂质的亲和力，其运输机制和调控方式仍不清楚。为此，我们采用了一种整合的方法，结合冷冻电镜（cryo-EM）、基于荧光的脂质转移实验和分子动力学（MD）模拟，来揭示P116的脂质运输能力及其调控机制。

我们的实验结果表明，P116能够在不依赖其他蛋白质、ATP消耗或额外因子的情况下，独立地进行脂质的获取和运输。这一发现具有重要的意义，因为大多数已知的脂质运输蛋白通常需要与其他蛋白质协作，并且依赖于能量输入。P116的这种自我足够能力表明，它可能是最简化的脂质运输系统之一，这为理解生物系统中的脂质运输提供了新的视角。此外，通过MD模拟，我们发现P116的结构动态与脂质的运输密切相关。当P116的腔室被充分填充时，它会经历快速的构象变化，从而调控其与膜的结合能力。这种调控机制可能解释了为什么P116能够有效地从宿主细胞中摄取脂质，并将其转移到自身膜上，而不与其他蛋白相互作用。

P116的结构由两个主要部分组成：N端结构域和核心结构域。N端结构域在脂质结合和膜识别中发挥着重要作用，而核心结构域则包含了脂质结合的疏水性腔室。N端结构域的结构与一些已知的脂质转运蛋白（如SMP结构域、MlaC和SCP2）具有相似性，这表明N端结构域可能在膜结合过程中起到关键作用。同时，P116的C端富含苯丙氨酸的区域（F环）也参与了膜结合和脂质运输。我们的实验结果表明，N端结构域和F环对于P116的脂质摄取能力至关重要。当这些结构域缺失时，P116无法有效从膜中提取脂质，这进一步支持了它们在脂质运输过程中的关键作用。

在分子动力学模拟中，我们观察到P116的构象变化与脂质的结合和释放过程密切相关。当P116处于膜附近时，其构象会表现出较大的动态范围，包括弧直径（两个单体之间的距离）、扭转角（两个单体之间的相对旋转）和N端结构域与核心结构域之间的夹角。这些变化可能反映了P116如何与膜相互作用，并通过其疏水性腔室进行脂质的转移。此外，我们还发现，脂质的装载量直接影响P116与膜的结合稳定性。当脂质被充分装载时，P116的构象会从较大的扭转角（如80°）转变为较小的扭转角（如30°），这可能表明P116在满载时更倾向于从膜上脱离，以完成脂质的释放。

在实验方面，我们使用了基于荧光的脂质转移实验，以验证P116的脂质运输能力。实验中，我们使用了含有荧光标记脂质的供体脂质体，并通过超速离心法将其从P116中分离出来。随后，我们让P116与含有不同脂质的受体脂质体进行孵育，以观察脂质是否被成功转移。实验结果显示，P116能够将脂质从供体脂质体转移到受体脂质体，而对照实验（如使用非脂质结合蛋白P110/P140）则没有观察到明显的脂质转移。这一结果进一步支持了P116作为自我足够能力的脂质转运蛋白的假设。

此外，我们还进行了基于质谱的分析，以确定P116的脂质结合情况。质谱分析显示，P116能够结合多种脂质，包括一些对支原体代谢并非必需的脂质。这表明P116具有高度的脂质亲和性，能够适应不同的宿主环境。同时，我们的实验还发现，当脂质被标记时，其转移效率会受到影响。未标记的脂质比标记的脂质更容易被P116结合，而标记的脂质则更容易被转移到受体脂质体中。这可能是因为标记的脂质在膜结合过程中受到了某些物理因素的限制，而未标记的脂质则能够更自由地进行转移。

为了进一步研究P116的脂质运输机制，我们还进行了针对不同脂质的结合实验。通过使用疏水性肽作为探针，我们验证了P116的脂质进入途径是否仅限于其疏水性腔室。实验结果表明，只有那些直径小于0.9纳米的疏水性化合物才能被P116有效结合，而那些直径超过这一范围的化合物则无法进入。这一发现进一步支持了P116的疏水性腔室作为其脂质进入的唯一通道的假设。

在模拟方面，我们还研究了P116的脂质转移机制。我们发现，脂质的“张开”（splaying）是脂质进入P116腔室的关键步骤。脂质的张开是指其疏水性尾部从膜中脱离并进入P116的腔室。这一过程在模拟中被观察到，但在实际实验中较为罕见，因为张开需要较长的时间。为了验证这一假设，我们设计了一个实验，其中脂质已经被预先张开，并放置在P116的疏水性腔室附近。通过这一方式，我们能够观察到脂质的快速进入，从而证明张开是脂质运输的关键步骤。

此外，我们还研究了P116的结构动态如何影响其脂质运输能力。通过分析P116在不同脂质装载情况下的构象变化，我们发现脂质的装载量显著影响了P116与膜的结合能力。当脂质被充分装载时，P116会经历构象变化，从而降低其与膜的结合稳定性。这种机制可能使P116能够在宿主细胞膜上进行高效的脂质摄取，同时避免过度的膜结合，从而保持其动态性。

在实验设计中，我们还考虑了P116的结构稳定性问题。由于P116在没有脂质的情况下可能不稳定，我们通过不同的方法来去除脂质，包括使用Triton X-100进行去脂处理，并通过超速离心法将其与脂质体分离。为了验证去脂是否成功，我们进行了质谱分析，并结合冷冻电镜（cryo-EM）和分子动力学模拟来确认P116的结构变化。这些方法的结合使得我们能够准确地评估P116在不同条件下的结构动态和脂质运输能力。

综上所述，本研究通过整合实验和模拟的方法，揭示了P116作为自我足够能力的脂质转运蛋白的机制。P116能够独立地从宿主细胞膜中摄取脂质，并将其转移到自身的膜上，而无需依赖其他蛋白质或能量输入。其结构动态和脂质装载量之间的相互作用，使得P116能够在膜上进行高效的脂质运输。这一发现不仅有助于理解支原体如何适应不同的宿主环境，也为设计合成生物学中的脂质运输系统提供了重要的参考。此外，P116的这种简单而高效的运输机制，可能为其他生物体中的脂质运输研究提供新的思路。