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颜宁等最新成果:AI助力解析胆固醇代谢之谜

2021-06-30 17:40 科学网 行业热点 编辑:辛文 浏览数:九九九健康网

 北京时间6月29日,美国普林斯顿大学教授颜宁与清华大学助理教授闫创业研究组、西湖大学鄢仁鸿博士等合作在《细胞报告》上发表了一项最新研究成果,进一步揭示了胆固醇代谢的关...

  北京时间6月29日,美国普林斯顿大学教授颜宁与清华大学助理教授闫创业研究组、西湖大学鄢仁鸿博士等合作在《细胞报告》上发表了一项最新研究成果,进一步揭示了胆固醇代谢的关键调控机理。

  “这项工作有两大亮点:第一是用AI技术辅助解析中低分辨率的结构,第二是进一步了解了Scap蛋白和Insig蛋白作为细胞内胆固醇感应器的工作机理。”颜宁告诉《中国科学报》。

  人体如何通过负反馈调节机制维持胆固醇的稳态?这是一个非常经典的科学问题。诺贝尔生理或医学奖得主Joseph Goldstein和Michael Brown,在上世纪90年代鉴定出的胆固醇代谢调节机制——SREBP(Sterol Regulatory Element-Binding Protein)信号通路扮演了非常重要的角色。

  Scap和Insig是SREBP通路中的两个关键蛋白,它们之间由胆固醇分子或胆固醇衍生物介导的相互作用,能够调控SREBP转录因子的活性,实现在细胞内胆固醇含量降低时激活其摄取和合成基因的表达,而在含量升高后抑制这一过程,从而实现负反馈调节模式。一直以来由于技术难度较高,这个通路的结构生物学研究进展相对缓慢。

  颜宁曾笑言SREBP通路是自己的“初恋课题”:2001年她初到施一公教授实验室读博,第一个课题便是针对SREBP通路的结构生物学与生物化学研究;2005年做博士后的第一个课题是SREBP通路中的膜蛋白;在清华独立领导实验室之后的第一个科技部973项目也是针对SREBP通路的结构生物学研究。

  2021年1月,颜宁和闫创业、鄢仁鸿等人在《科学》上发表一项重要研究,首次获得了跨膜区平均分辨率约3.7埃的人源Scap与Insig-2蛋白复合物的电镜结构,清晰到可以直接观测分子间相互作用细节。他们还在在Scap和Insig-2相互作用界面上首次看到了具有重要功能的分子25-羟基胆固醇(25HC),颠覆了此前人们对25HC 结合位点和调控机理的认知。

  此次发表的论文是上一篇论文的延续。“此前的研究报道,Scap和Insig之间的相互作用有两种途径,一种是由25HC介导,另一种则是由胆固醇结合在胞外侧可溶区部分的loop1上来介导。”论文第一作者兼共同通讯作者鄢仁鸿博士对《中国科学报》说,“上一篇发表于《科学》的论文已经揭示了由25HC介导的Scap和Insig在跨膜区部分的作用细节,而本篇论文则是试图解析Scap在胞外区Loop1和Loop7的作用机制。”

  研究人员通过去垢剂筛选的方法进一步优化了Scap和Insig的复合物样品,能够获得Scap的loop1和loop7的中低分辨率密度图,但并不足以搭建它的原子模型。如何用相对较低分辨率的图像做好结构解析?研究人员采用了腾讯公司开发的AI工具“tFold”来对Scap蛋白在胞外区的结构进行预测,同时结合较低分辨率的电子密度图进行最终的结构模型搭建。“这项技术的优势是通过人工智能基于蛋白质氨基酸序列特征,能够较好预测出一个类似的结构模型,从而加快我们对蛋白质结构的理解。”鄢仁鸿说。

  本研究还有一个意外收获:研究人员用一种被称为“洋地黄皂苷 (digitonin)”的去垢剂将蛋白质从细胞膜上抽提出来,却首次发现这种物质在结构上可以特异性地替代25HC,促进Scap和Insig之间的相互作用。这或将为胆固醇调节新药研发提供一个潜在靶点。

  “胆固醇代谢与人类健康的主要杀手之一——心脑血管疾病息息相关。深入探究SREBP通路的分子机制能够加深我们对胆固醇调控的认识,有助于针对性地开发降血脂药物,改善心脑血管疾病。”鄢仁鸿表示,“目前我们已经成功解析了Scap和Insig复合物在胆固醇衍生物25HC分子介导下的结构,但是对于Scap蛋白受胆固醇分子调控的分子机制还无法解释,这些问题有待进一步研究。”

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