LYCHOS 胆固醇感应机制及与硫酸吲哚酚相互作用的结构基础研究取得重要突破

《Nature Communications》：Structural basis for cholesterol sensing of LYCHOS and its interaction with indoxyl sulfate

为探究 LYCHOS 耦合胆固醇浓度与 mTORC1 激活机制，研究人员解析其结构，发现关键位点及 IS 结合特性，意义重大。

　　在细胞的世界里，胆固醇如同一位 “神秘嘉宾”，它既是哺乳动物细胞膜的重要组成部分，在胚胎发育等生理过程中扮演着不可或缺的角色，可一旦它 “调皮” 地异常积累，就会引发如动脉粥样硬化、肥胖、神经退行性疾病以及癌症等一系列健康问题。因此，维持胆固醇的稳态平衡至关重要。

细胞为了严格控制胆固醇水平，进化出了一套精密的反馈调节机制 —— 固醇调节元件结合蛋白通路。当内质网膜中的胆固醇水平较低时，该通路就会被激活。同时，在细胞快速增殖的过程中，胆固醇的合成和更新也受到雷帕霉素靶蛋白复合物 1（mTORC1）的调控。mTORC1 堪称细胞内的 “营养传感器”，能感知葡萄糖、氨基酸、核苷酸和脂质等多种营养物质，进而激活相关的细胞合成代谢途径。而胆固醇更是直接作为 mTORC1 的激活剂，在细胞内发挥着重要作用。

近年来，溶酶体胆固醇信号（LYCHOS）蛋白被发现是一种胆固醇传感器，它能将溶酶体中的胆固醇浓度与 mTORC1 的激活联系起来。LYCHOS 是一种溶酶体膜蛋白，由 17 个跨膜片段（TMs）构成，包含 N 端通透酶结构域（TMs 1 - 10）和 C 端 G 蛋白偶联受体（GPCR）结构域（TMs 11 - 17）。尽管已经知道在高胆固醇水平下，LYCHOS 能通过其效应结构域（LED，位于 TM15 - 16 之间的环）与 GATOR1 复合物相互作用，从而解除 GATOR1 对 mTORC1 的抑制，但胆固醇究竟是如何诱导 LED 与 GATOR1 相互作用的，以及通透酶结构域是否具有转运功能，这些问题一直困扰着科研人员。

为了解开这些谜团，中国科学技术大学第一附属医院心内科、中国科学技术大学无膜细胞器与细胞动力学教育部重点实验室等机构的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了 LYCHOS 胆固醇感应机制及与硫酸吲哚酚（IS）相互作用的结构基础，具有重要的科学意义。

研究人员主要运用了冷冻电镜（cryo - EM）技术来解析 LYCHOS 的结构，同时结合表面等离子共振（SPR）技术检测蛋白与配体的结合亲和力，还通过免疫沉淀实验验证蛋白之间的相互作用。

研究结果

1. 人 LYCHOS 的结构测定：研究人员成功纯化出重组人 LYCHOS，并利用冷冻电镜技术解析了其结构，分辨率达到 3.1 ?。LYCHOS 以二聚体形式存在，每个单体包含 17 个跨膜螺旋，分为 N 端通透酶结构域和 C 端 GPCR 结构域。其中，通透酶结构域中的 TMs 1/2/6/7 构成支架结构域介导二聚化，而左侧的 TMs 3/4/5/8/9/10 呈现出与大肠杆菌 Na⁺/H⁺逆向转运蛋白（NhaA）相似的折叠结构，研究人员将其命名为转运结构域。GPCR 结构域则具有典型的 GPCR 折叠，与 GPCR - B1 和 B2 亚家族的受体具有较高的相似性，但从结构分析来看，它可能在不结合 G 蛋白的情况下发挥功能。
2. 通透酶和 GPCR 结构域之间的脂质密度：在通透酶和 GPCR 结构域的界面处，研究人员观察到了脂质样密度，包括两个磷脂（Lipid1 和 Lipid2）和一个类似胆固醇的分子。这些脂质对于稳定两个结构域在胞质侧的相互作用至关重要。例如，当对参与脂质配位的关键残基进行丙氨酸替代时，LYCHOS 招募 GATOR1 复合物的能力显著下降。
3. 胆固醇结合位点：研究确定了 LYCHOS 的胆固醇结合位点，该位点主要由转运结构域中的疏水残基稳定。当突变破坏该结合位点时，LYCHOS 与 GATOR1 复合物的结合能力明显降低，表明该位点在 LYCHOS 功能中起着关键作用。
4. 胆固醇相关的构象变化：通过 3D 变异性分析和 3D 分类，研究人员发现胆固醇和 Lipid1 的存在与否会导致 LYCHOS 的构象发生变化。在没有胆固醇和 Lipid1 的情况下，GPCR 结构域相对于通透酶结构域发生移动。这一发现为 LYCHOS 如何感知胆固醇水平提供了重要线索，胆固醇可能通过稳定 Lipid1，进而支持 GPCR 和通透酶结构域在胞质侧的相互作用，促使 LED 呈现出能够与 GATOR1 复合物相互作用的构象。
5. 通透酶结构域结合硫酸吲哚酚：通透酶结构域具有典型的 NhaA 折叠特征，研究人员发现它能够结合硫酸吲哚酚（IS）。IS 是一种肠道来源的尿毒症毒素，在慢性肾脏病（CKD）进展和心血管疾病发生中具有重要作用。通过 SPR 实验筛选，研究人员发现 LYCHOS 与 IS 具有明显的结合能力，解离常数（K_d）约为 150 μM。进一步解析 LYCHOS - IS 复合物结构发现，IS 结合在通透酶结构域中不连续的 TM4 和 TM9 螺旋的交叉位点。当对 IS 结合位点的关键残基进行突变时，LYCHOS 与 IS 的结合亲和力明显降低。而且，IS 结合后会引起通透酶结构域和 GPCR 结构域的位置变化，同时在 GPCR 和通透酶结构域的界面处仍能观察到类似胆固醇和 Lipid1 的密度。

研究结论与讨论

这项研究通过解析 LYCHOS 的结构，揭示了其胆固醇感应机制以及与 IS 的相互作用。研究发现的胆固醇结合位点与之前推测的不同，新位点在胆固醇激活 mTORC1 过程中发挥着关键作用。同时，Lipid1 在胆固醇感应中也具有重要意义，但目前其具体分子身份仍有待进一步确定。此外，虽然确定了 LYCHOS 的通透酶结构域能够结合 IS，但 LYCHOS 是否能够主动转运 IS 尚不清楚。IS 可能通过与 LYCHOS 的直接相互作用调节其激活 mTORC1 通路的能力，但也不排除 LYCHOS 通过潜在的转运活性调节 IS 的可及性。这些推测都需要未来通过细胞和生化实验进一步验证。

总的来说，该研究为深入理解 LYCHOS 在 mTORC1 信号通路中的重要作用提供了坚实的基础，为后续研究指明了方向，有望为相关疾病的治疗和干预提供新的靶点和思路。