低密度脂蛋白胆固醇结构新解：开启心血管疾病防治新征程

为深入探究 “坏胆固醇”（LDL 胆固醇）与受体的相互作用机制，来自美国国立卫生研究院（NIH）等机构的研究人员，开展了关于低密度脂蛋白（LDL）结构的研究。他们成功高分辨率可视化 LDL 及其与细胞表面受体的结合，这为新的心脏保护疗法奠定基础。

　　科学家发现清除血液中携带胆固醇的低密度脂蛋白（Low-Density Lipoprotein，LDL）颗粒并将其转运到细胞内的受体，已过去半个多世纪，这一成果荣获诺贝尔奖，革新了人们对胆固醇代谢的认知，也推动了严重遗传性高胆固醇的诊断和治疗。与此同时，距离研究人员首次获得 LDL 的低分辨率 X 射线晶体学图像，大约也过去了 30 年。由于脂质颗粒体积大等因素，一直难以对其进行更细致的观察。但如今，借助先进技术，科学家不仅成功获得了高分辨率的 LDL 图像，还捕捉到它与细胞表面受体结合的状态。

LDL 胆固醇对人类健康至关重要，等待如此之久才得以看清其 “真面目”。虽然研究人员表示临床应用可能还需数年时间，但了解 “坏胆固醇” 与受体的相互作用，以及这一过程被破坏如何导致动脉粥样硬化和心脏疾病，能够为新的心脏保护疗法奠定基础。

去年 12 月，两个独立的研究团队在《自然》杂志上发表了载脂蛋白 B100（apolipoprotein B100，apo B₁₀₀）的详细结构，apo B₁₀₀是 LDL 上的主要蛋白质。其中一个由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）内部研究项目支持的合作团队更进一步，解析出了 apo B₁₀₀与 LDL 受体结合的结构。

“研究过程困难重重，很多人认为这无法实现。” 美国国立过敏与传染病研究所（National Institute of Allergy and Infectious Diseases，NIAID）结构病毒学研究负责人约瑟夫?马尔科特里贾诺（Joseph Marcotrigiano）博士说道。马尔科特里贾诺最初想深入了解丙型肝炎病毒（Hepatitis C Virus，HCV）如何劫持感染者的脂质，当时他刚加入 NIAID，便在网上搜索 NIH 内研究脂蛋白的人员，由此结识了美国国家心肺血液研究所脂蛋白代谢部门主任艾伦?T?雷梅利（Alan T. Remaley）医学博士、哲学博士。两人一拍即合，不仅住处相近，还开始合作研究 HCV，最终将目光投向解析 LDL 的结构。马尔科特里贾诺惊讶地发现，这项研究此前竟然无人完成，其中最大的挑战便是 apo B₁₀₀的庞大体积，它是自然界中发现的最大的蛋白质之一。

为突破一些科学家所说的 “分辨率玻璃天花板”，两个团队将冷冻电镜（cryo-electron microscopy，cryo-EM）技术与最新版基于人工智能的蛋白质结构预测软件 AlphaFold 相结合。NIH 团队还运用了一种新开发的冷冻电镜工具 —— 乐高体（legobodies），来稳定和校准脂质颗粒及其受体，便于计算机对结构进行定位和绘制。随着脂质 - 受体复合物结构逐渐清晰，他们邀请了美国国家癌症研究所的结构生物学家对结果进行验证。

临床脂质学家托马斯?戴斯普林（Thomas Dayspring）医学博士与雷梅利私交甚笃，但未参与此项研究，他评价这项工作 “付出了巨大努力”。研究中一个有趣的发现是，LDL 受体以二聚体形式发挥作用，一次可捕获两个 LDL 颗粒。“我们现在知道，之前认为单个 LDL 受体抓取一个 apoB 颗粒的观点是错误的。” 戴斯普林打比方说，每个受体就像有两只龙虾钳子，当一个受体的钳子捕获两个 LDL 颗粒时，其配对受体的钳子会交叉过来也抓住颗粒，从而加强结合力，“这是一种更高效的清除 LDL 颗粒的方式” 。

NIH 团队的研究成果还为家族性高胆固醇血症（familial hypercholesterolemia，FH）提供了新的见解。FH 是一种罕见的遗传疾病，约每 250 人中就有 1 人患病，会导致极高的 LDL 胆固醇水平。许多 apo B₁₀₀或 LDL 受体的基因变化都与 FH 患者 LDL 胆固醇水平升高有关，但此前只有一种变异与潜在结合位点匹配，其余的一直是未解之谜。研究团队发现，LDL 受体与分布在 apo B₁₀₀上的结合位点相互作用，apo B₁₀₀像皮带一样包裹着整个脂质颗粒，而那些意义不明的变异就位于新发现的界面内。

“这些论文中的受体结构或 apo B₁₀₀结构，几乎能完美解释我们已知的每一种导致 FH 的突变。” 辛辛那提大学医学院病理学教授 W. 肖恩?戴维森（W. Sean Davidson）博士说道，他为《自然》杂志撰写了关于这项研究的评论。

从近期来看，了解这些神秘变异几乎能立即帮助通过基因检测识别更多 FH 患者，雷梅利说。但从长远来看，他和其他人只能进行推测。在不太遥远的未来，CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）基因编辑技术有可能纠正导致 FH 的单核苷酸变异（single-nucleotide variations，SNVs，旧称 SNPs）。之后，了解 apo B₁₀₀如何与 LDL 受体结合，有助于制定强化结合的策略，或创造人工结合物。理想情况下，这两种方法都能增加 LDL 胆固醇的清除，降低动脉粥样硬化性心血管疾病的风险。

LDL 的研究意义重大，但这可能只是一个开端。科学家还将研究极低密度脂蛋白（very low-density lipoproteins，VLDLs）及其残粒，VLDL 是富含甘油三酯的 LDL 前体。在糖尿病患者中，卸载甘油三酯后未完全转化为 LDL 的 VLDL 残粒与动脉粥样硬化密切相关。戴维森表示，利用新方法，“我们或许能够了解这些颗粒的结构，以及它们为何会滞留在血管壁中”。

他还提到，脂蛋白 (a)（Lipoprotein (a)，Lp (a)）也是一个极具吸引力的研究靶点。“许多制药公司都在尝试不同策略，如抗体或小分子药物，试图降低 Lp (a) 水平，但我们对其结构以及它与心血管疾病紧密关联的原因知之甚少。”

戴维森自己的研究重点是高密度脂蛋白（high-density lipoprotein，HDL）胆固醇，即所谓的 “好胆固醇”。尽管有这个美称，但通过治疗提高 HDL 水平并未被证实能预防心血管疾病。而且，据戴维森介绍，HDL 颗粒上近 300 种蛋白质的功能远不止脂质运输，它们还在先天免疫系统、血液凝固等生物过程中发挥作用。为揭开 HDL 的奥秘，他的实验室正在利用冷冻电镜对其主要蛋白质载脂蛋白 A1 进行高分辨率成像研究。“在我们看来，过去对 HDL 的研究方向有误，我们需要更深入地了解这些单个颗粒及其功能。” 戴维森说。

他预测，在未来 5 年左右，将冷冻电镜与其他先进技术相结合以获取高分辨率结构信息，会成为脂蛋白研究的新趋势。“我认为研究的大门已经打开，眼见为实。” 马尔科特里贾诺说道。