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南科大龚欣课题组在ABCA蛋白结构和转运

机制模型领域的研究进展

研究背景

ABC转运蛋白（ATP-bindingcassettetransporter）是一类ATP驱

动泵，在人类基因组已发现48种，分为7个亚家族（A-G）。ABC转

运蛋白由两个跨膜结构域（TMD）和两个胞质侧ATP结合域（NBD）组

成。TMD通过构象变化实现分子跨膜转运，NBD结合或水解胞浆中的

ATP，确保转运底物所需能量。而在ABCA亚家族中特有的结构是胞外

结构域（ECD）和调控结构域（RD），尚未在其他亚家族中发现。

南方科技大学龚欣课题组致力于研究ABCA亚家族相关蛋白的三维结

构和转运机制。2017年，龚欣老师作为颜宁教授课题组成员，在Cell

杂志首次报道了ABCA1近原子分辨率的冷冻电镜结构。近年来龚欣课

题组陆续解析了ABCA3、ABCA4的冷冻电镜结构及转运机制模型。

ABCA3主要定位于肺泡II型（AT2）细胞内的层状体（LBs）。肺表

面活性剂能够降低肺泡表面张力，维持正常呼吸。ABCA3参与表面活

性剂的生成，其突变会导致表面活性剂缺陷，引发严重的肺部疾病，

如新生儿呼吸窘迫综合征、间质性肺炎等。目前还没有治疗ABCA3突

变引起的遗传性疾病药物。

ABCA4基因只编码视网膜上特定的ABC转运体，ABCA4蛋白几乎只存

在于视网膜的视杆细胞的外节盘缘上。现有研究表明ABCA4作为翻转

酶，可以将磷脂酰乙醇胺（PE）和全反式视黄醛（ATR）形成的脂质

衍生物—视黄基磷脂酰乙醇胺（NRPE），从外节膜盘的腔内侧转运到

细胞质侧，通过促进NRPE的转移，进而促进视网膜再生和生成维生

素A。

ABCA4存在于视网膜细胞上，属于脂质内向翻转酶，可将NRPE从外

节膜盘的腔内侧转运到细胞质侧。ABCA4的脂质转运功能受损，会使

得全反式视黄醛ATR和NRPE在外节膜盘的腔内侧发生过量积累，引

起视网膜退行性疾病，如常见的遗传性黄斑变性疾病、年龄相关的黄

斑变性、色素性视网膜炎和锥杆营养不良等。尽管ABCA4在视觉系统

脂质转运、视循环过程中起着至关重要的作用，但此前对于ABCA4的

分子结构、底物识别和转运机制还缺乏相应的研究。

研究内容

在本研究中，研究人员通过体外重组表达和纯化获得ABCA3蛋白、

ABCA4蛋白，测定ABCA3、ABCA4各自的ATP酶活性和相应的酶动力

学参数，纯化后的蛋白存在与先前报道一致的蛋白切割和糖基化修饰，

均表现出强大的ATP酶活性。研究人员通过冷冻电镜技术，确定ABCA3、

ABCA4分别在apo状态、结合ATP时的三维结构。

01：ABCA3、ABCA4的结构

ABCA3与ABCA4结构基本相似，两者最大区别是ECD结构域的差异。

研究发现，ABCA3的ECD只覆盖碱基的核心区域，ABCA4的ECD结构

相对较大，可分为盖层、隧道层和基底层三层，并且其中一个ECD中

存在一个扩展环用于底物结合。

图1ABCA亚家族蛋白三维结构

02：ABCA4的底物识别

ABCA4对底物NRPE的识别进一步说明TMD存在底物结合位点。ABCA4

的底物NRPE被夹两个TMD之间，但完全暴露在脂质双分子层中，表

明脂质底物从管腔膜小叶侧向进入跨膜区的底物结合位点。当存在

PE时ATR可刺激ABCA4的ATP酶活性，在与NRPE底物的复合物结构

中，观察到NRPE结合位点的准确性。

03：TMD在ABCA3、ABCA4中的构象

TMD区域内存在“侧向通道”，2个侧向空腔可作为底物结合位点。

本研究验证了基质从膜内小叶进入的“侧向通道”机制。在无核苷酸

状态下，ABCA3的TMDs表现出与ABCA4和ABCA1无核苷酸时相似的

侧向开放构象，允许脂质底物从2个膜小叶中侧向进入TMD。TMD内

2个带正电荷的侧向空腔可以作为潜在的底物结合位点，而填充在2

个TMD之间空腔中的脂质分子维持着TMD在这种侧向开放构象中的稳

定性，同时证明侧向开放构象是依赖ATP的结合。

04：ABCA转运机制模型

ABCA3、ABCA4的构象在结合ATP前后发生相似的变化，通过“侧向

进入和挤压”机制转运脂质分子。当无ATP和底物存在时，TMD表现

出V型横向开放构象，允许NRPE从腔膜小叶横向进入，识别并结合

底物。当结合ATP后，NBD二聚化，TMD的V型侧向开放构象伴变成

封闭构象，无法与底物结合，将脂质底物挤压过膜，实现脂质底物的

跨膜翻转。

图3ABCA蛋白转