Cell Research：揭示SPFH蛋白质家族组织功能性的细胞膜微域的分子基础

来源：北大 2022-01-10 08:26

北京大学生命科学学院高宁教授课题组在Cell Research上发表了题为“Structural insights into the membrane microdomain organization by SPFH family proteins” 的研究论文，利用冷冻电镜技术研究了位于内膜的由两种具有代表性的SPFH家族蛋白质分子（HflK、HflC）与AAA+蛋白酶FtsH形成的超级膜复合物的高分辨结构，揭示了SPFH家族蛋白质在细胞内不同的膜系统微域（microdomain）组织过程中的共性原理和分子基础。

细胞膜系统的组成、脂质和蛋白质的分布都具有高度异质性。原核生物和真核生物的细胞膜系统的一个共性就是它们都具有相对离散的功能特异化的微型区域（FMMs， functional membrane microdomains），但是这种微型膜域的分子组织基础一直未知。作为经典的细胞膜“镶嵌流动模型”的补充，上个世纪九十年代正式提出的“脂筏”模型是一种相对广泛接受的用来描述膜异质性的模型(Simons and Ikonen， 1997)，它指代的是在膜上形成的相对有序、离散性的、富含胆固醇、鞘脂和GPI-anchored蛋白质的微型区域。历史上，科学家对于FMM或者脂筏的认识和理解主要来源于两种实验手段：第一种是基于超速离心来分离“Detergent-resistant membranes (DRM)”，鉴定它们的脂质、成以及生物学功能；另一种是基于光学成像标记特定的脂质或者蛋白质分子，表征它们的物理尺寸（10-300 nm）、亚细胞分布及动力学性质。尽管在过去的二十多年内有几千篇关于脂筏的论文，但是由于细胞膜的高度动态性以及这些研究手段的非特异性，这一概念在领域仍然具有非常大的争议(Levental et al.， 2020； Sezgin et al.， 2017)。

SPFH（Stomatin、Prohibitin、Flotillin 和HflK/C）家族是一类定位于各种各样生物膜系统的膜蛋白，包括质膜、核膜、高尔基体、内质网、内体、线粒体、叶绿体，乃至脂滴(Browman et al.， 2007)。SPFH家族蛋白质是FMM中的标志性分子，基于其寡聚性质被推测在FMM的形成和组织过程中可能起到基础的支架作用。例如，早期的研究发现溶血性病人的红细胞中缺失了Stomatin蛋白。Stomatin及其动物同源蛋白存在于质膜、细胞内的膜泡中，参与细胞内脂质运输以及机械感受型离子通道蛋白的调控等。在线虫和小鼠中，Stomatin的同源蛋白被发现参与到机械感知，可以调控酸通道和细胞骨架之间的信号传递(Huang et al.， 1995； Wetzel et al.， 2007)。Flotillin在细菌、动物、植物、真菌中广泛存在。在动物细胞中，Flotillin常与鞘磷脂和胆固醇一起形成脂筏结构，尤其是flotillin-1常被作为脂筏的标志性蛋白。Flotillin参与细胞内吞，以及膜上的多种信号转导过程(Glebov et al.， 2006)。Prohibitin（PHB）存在于所有的真核细胞，主要分布在线粒体内膜上，参与细胞内的多个生理过程，与衰老、细胞增殖、退行性疾病和代谢等疾病密切相关(Artal-Sanz and Tavernarakis， 2009)。PHB（包括PHB1和PHB2）通过与线粒体内膜上的m-AAA蛋白酶形成超级复合物，参与线粒体内膜蛋白的质量监控。HflK和HflC是细菌中广泛存在的两种SPFH膜蛋白。它们是线粒体PHB的细菌同源蛋白，能够与锚定在内膜的AAA+蛋白酶FtsH形成超大复合物（HflK-HflC-FtsH，简称为KCF复合物）从而调控膜蛋白的质量控制和稳态调控。

尽管SPFH家族数目众多并广泛存在于所有物种，参与了众多的基础生物学过程，但是SPFH家族蛋白质的寡聚组织形式、三维结构及其调控各异的膜相关分子过程的机制非常不清楚。本研究以KCF为SPFH家族的一个模式复合物，利用冷冻电镜三维重构技术研究了KCF复合物的组成形式和高分辨三维结构。

首先，冷冻电镜结构数据表明HflK/C以异源二聚体为基本单元，12个HflK分子和12个HflC分子间隔排列在内膜上形成跨膜的异二十四聚体的笼状结构。HflK/C的跨膜区域（N-terminal region）形成并隔离出大约直径20 nm的一个圆形膜区域；HflK/C的大部分氨基酸残基位于周质空间，并且组装成一个完全密封的笼状结构。更为有趣的是，FtsH六聚体可以悬挂到HflK/C形成的微型膜域中，一个笼状结构最多可以包含4个FtsH六聚体（图1）。FtsH六聚体的周质空间结构域（PD）完全包裹在HflK/C在周质空间形成的笼状结构中，与复合物中HflK分子的SPFH结构域直接相互作用。