Nature | 探索细胞内胆碱运输系统的神秘面纱—FLVCR2（下）

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上篇文章中已经介绍了胆碱和乙醇胺转运蛋白FLVCR1，相关研究者解析了FLVCR1与胆碱和乙醇胺结合的结构，并揭示了FLVCR1如何为Kennedy途径两个分支的磷脂生物合成提供了共同起点【详见：Nature | 探索细胞内胆碱运输系统的神秘面纱—FLVCR2（上）】。在本文中，我们将继续探索细胞内胆碱运输系统的神秘面纱，走进FLVCR2的微观世界。

前文中已经介绍，胆碱是磷脂酰胆碱的前体，是所有细胞膜的合成必不可缺的重要组分。除此之外，胆碱作为一种必需营养素，对健康的大脑发育和功能同样至关重要。在胆碱能神经元中，胆碱也被转化为乙酰胆碱，这种转化驱动着中枢和周围神经系统的正常运行，包括记忆和肌肉收缩。然而，尽管大脑对胆碱的需求极高，但它却无法自主合成，而必须从全身循环中获得，其中大部分来自饮食来源¹。事实上，通过体内放射性示踪研究表明，胆碱能够通过转运蛋白介导的过程迅速而特异地穿过血脑屏障 (Blood-Brain Barrier, BBB)，而不经过代谢改变²。

血脑屏障的胆碱转运蛋白及其相关机制的研究已经困扰该领域50多年。迄今为止，已确定的唯一两种人类胆碱转运蛋白FLVCR1和ChT (SLC5A7)，FLVCR1在大多数细胞类型中表达，但在脑内皮细胞中并不丰富，而ChT，几乎仅在胆碱能神经元中表达。

FLVCR2是FLVCR1的近亲（相似度为55%），在发育和成年期间在血脑屏障内皮细胞中高度特异地表达。在人类中，FLVCR2的突变会导致增殖性血管病和脑积水，也称为Fowler综合征。这种罕见的常染色体隐性脑血管疾病与脑血管发育障碍、脑积水和胚胎致死有关³。然而，除了这种遗传关联之外，FLVCR2在血脑屏障上的生理作用及其底物的身份仍然是一个未解之谜。

2024年5月1日，美国哥伦比亚大学Filippo Mancia实验室与加州大学旧金山分校Thomas Arnold实验室在Nature期刊上发表了题为Structural and molecular basis of choline uptake into the brain by FLVCR2的论文。文章报道了FLVCR2是血脑屏障的胆碱转运蛋白，并使用冷冻电镜解析了该蛋白在向外开放状态和向内开放状态下胆碱结合的结构，揭示了FLVCR2的功能并提供了其胆碱转运机制的分子洞察。

首先，通过亚细胞定位，研究者确定了在小鼠体内FLVCR2仅存在于所有脑血管段（动脉、毛细血管和静脉）的内皮细胞中，并在脑内皮细胞的细胞膜两侧均有表达，而腔侧膜表达相对更高。在成年人脑中也发现了类似的FLVCR2分布。此外，研究者通过小鼠敲除实验、以及一系列基于细胞的摄取实验，确定了FLVCR2参与跨越BBB运输胆碱，并且向内的质子梯度增强了FLVCR2介导的胆碱摄取（图1）。

图 1 FLVCR2参与胆碱通过血脑屏障进入大脑的转运

为了在原子水平上理解FLVCR2介导的胆碱转运，研究者解析了FLVCR2与1mM胆碱结合的FLV23（FLVCR2高亲和力Fab）复合物结构，分辨率为2.49Å。FLVCR2包括十二个跨膜螺旋，排列成两个伪对称的六螺旋束。在该结构中，FLVCR2处于向外开放构象，并展示出一个大的细胞外腔。在胞外腔内，研究者观察到胆碱的密度，胆碱的三甲胺基团通过W125和Y153进行阳离子-π相互作用，羟基团与N121形成氢键。值得注意的是，在这种构象中，C端结构域不参与胆碱的互作（图2）。

图 2 FLVCR2向外开放构象的冷冻电镜结构

为了进一步了解FLVCR2介导的胆碱转运，研究者接着筛选了一个能够结合到不同抗原表位的Fab—FLV9，尝试获取FLVCR2在内向构象中的结构。最终，研究者成功解析了FLVCR2结合1mM胆碱的FLV9复合物向内开放构象，分辨率为2.77 Å（图3）。在细胞内空腔里，研究者观察到了胆碱的密度。在这里，残基W125、Y153和Y348形成了一个“芳香笼”，环绕着胆碱的三甲胺基团，而残基M154、Q214和Q470提供了一个氢键网络，以协调分子的羟基末端（图3d）。此外，研究者还评估了FLVCR2的底物结合位点的广泛性。实验表明，乙酰胆碱和甜菜碱与胆碱具有类似的亲和力结合到FLVCR2上（图3e）。

图 3 FLVCR2向内开放构象的冷冻电镜结构

总的来说，研究者确定了FLVCR2是BBB胆碱转运蛋白，并在向外开放(OFS) 构象和向内开放构象 (IFS) 中确定了它的结构，其中胆碱结合在中央腔道中（图2、3和4a）。在OFS中，胆碱仅由N结构域结合，主要由残基N121、W125和Y153提供配位。转变到IFS时，胆碱的三甲基铵基团仍然在同一位置，但羟基被重新定向，作为来自C端结构域的残基，包括Y348和Q470，向下移动以供底物配位（图4b）。

图 4 FLVCR2介导胆碱转运的分子机制

综上，研究者发现FLVCR2介导了胆碱穿越血脑屏障的摄取，并揭示了这种转运发生的分子机制。这项研究突显了必需营养物质胆碱在大脑血管发育和维持健康中枢神经系统中的重要性。最后，随着之后对FLVCR2底物特异性和整体系统的进一步了解，这种转运蛋白可能为合理设计和有针对性地将药物传递到大脑提供途径。

供稿 | 肖媛

审核 ｜谭佳鑫

责编 | 囡囡

设计 / 排版 | 可洲 王婧曈

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原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07326-y

参考文献

参考文献

[1] Zeisel, S. H. & da Costa, K.-A. Choline: an essential nutrient for public health. Nutr. Rev. 67, 615–623 (2009).

[2] Diamond, I. Choline metabolism in brain: the role of choline transport and the effects of phenobarbital. Arch. Neurol. 24, 333–339 (1971).

[3] Meyer, E. et al. Mutations in FLVCR2 are associated with proliferative vasculopathy and hydranencephaly-hydrocephaly syndrome (Fowler syndrome). Am. J. Hum. Genet. 86, 471–478 (2010).

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