颜宁再发Cell！联合清华、西湖再解“初恋课题”，用AI解析胆固醇代谢之谜

近日，普林斯顿大学教授颜宁、清华大学助理教授闫创业、西湖大学鄢仁鸿博士等人的最新研究利用AI工具助力固醇结构基础的研究，相关结果已经在Cell发表。

来源：新智元
6月29日，普林斯顿大学教授颜宁和清华大学助理教授闫创业以及西湖大学鄢仁鸿博士等人共同在Cell Reports上发表文章Structural basis for sterol sensing by Scap and Insig（Scap 和 Insig 检测固醇的结构基础），进一步揭示了胆固醇代谢的关键调控机理。  今年1月，颜宁与闫创业研究组、鄢仁鸿博士等就在Science杂志在线发表了研究长文 A structure of human Scap bound to Insig-2 suggests how their interaction is regulated by sterols（固醇调控人源Scap和Insig-2相互作用的结构机理），揭示了胆固醇代谢调控通路中长久以来的关键问题：细胞如何通过有效感知自身的胆固醇水平来激活或者抑制胆固醇的合成与吸收，以维持细胞内的胆固醇稳态。  时隔半年再次发文，这也是对团队1月份研究的继续。 而最新的研究报告主要集中在以下几点： 1、人源Scap/Insig-2复合物在洋地黄皂苷（digitonin）存在下的冷冻电镜结构 2、Scap的管腔L1和L7结构域在复合物中相互作用 3、Scap(D428A)在与Insig-2复合物中表现出与WT相同的构象 4、Scap(D428A)即使在没有Insig结合的情况下也能抑制SREBP的激活   

SREBP通路中的两个关键蛋白：Scap和Insig

心血管疾病是全球的头号死因：每年死于心血管疾病的人数多于任何其它死因。 根据2016年的数据，大约有1790万人死于心血管疾病，占全球死亡总数的31％。其中，85%死于心脏病和中风。  据统计，在中国，每年死亡总人数中约有40%是由于心脑血管疾病导致的，而心脑血管疾病的发生与胆固醇代谢异常密切相关。 胆固醇是一种脂质小分子，是哺乳动物细胞膜的重要组成成分，主要调控细胞膜的流动性，也是胆酸、维生素D以及一些荷尔蒙合成的前体分子，同时还作为信号分子参与细胞内多个重要信号转导过程。 当人体内胆固醇代谢异常，过量的胆固醇积累在血管中会促进动脉粥样硬化的发生和发展，最终可能引发冠心病、中风等心脑血管疾病。 上世纪90年代，美国西南医学中心的两位诺贝尔生理与医学奖得主Joseph Goldstein和Michael Brown领导的研究组通过一系列生化和细胞实验发现了胆固醇代谢的负反馈调控机制，即SREBP（Sterol Regulatory Element-Binding Protein）信号通路，来调控细胞水平的胆固醇摄取和合成，从而维持细胞内胆固醇含量的稳态。  △ 1985年诺贝尔生理与医学奖得主Joseph Goldstein（左）和Michael Brown（右）
Scap和Insig-1/2是这一途径的关键参与者，它们是嵌入膜中的固醇传感器。Scap和Insigs的25-羟基胆固醇（25HC）依赖性结合充当SREBP途径的核心开关。 尽管对与25HC结合的Scap和Insig-2复合物进行了结构测定，但Scap的管腔结构域仍未得到解决。 在这项研究中，结合cryo-EM分析和「人工智能」促进的结构预测，研究人员报告了在洋地黄皂苷（digitonin）中纯化的人源Scap/Insig-2复合物的结构。 Scap的腔内结构域Loop1和Loop7的共折段与NPC1和相关蛋白的腔内/外结构域相似，为Loop1和Loop7的胆固醇调控作用提供了线索。 △ 人源Scap和Insig-2复合物在洋地黄皂苷微胶粒中的整体结构 在Scap和Insig之间观察到一个额外的腔内界面。研究还表明，Scap(D428A)即使在固醇耗尽的情况下也能抑制SREBP的激活，当它与Insig-2复合物时表现出与野生型蛋白相同的构象，它对SREBP通路的构成性抑制也可能涉及蛋白质运输中的一个后期步骤。 而这也是本研究的一个意外发现，这种被称为“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。  

AI工具“tFold”预测Scap蛋白胞外区结构

在本研究中，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？ 研究人员用了腾讯开发的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。 对于AI技术的应用，研究团队的鄢仁鸿告诉《中国科学报》：“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。” 腾讯AI Lab于2020年初在CAMEO（全球唯一的蛋白质结构预测自动评估平台）注册了自动化蛋白结构预测服务器 tFold server，并自2020年6月起连续半年一直保持周度冠军。 tFold server在一般案例上领先业内权威方法6%以上，在困难案例上则领先12%以上。 △ 图源：https://ai.tencent.com/ailab/zh/news/detial/?id=71 

再解“初恋课题”

颜宁教授目前是普林斯顿大学分子生物学系Shirley M. Tilghman终身讲席教授。
SREBP通路课题被颜宁教授戏称为自己的“初恋课题”。  2001年她加入施一公教授在普林斯顿大学分子生物学系的实验室读博的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便是SREBP通路中的膜蛋白们； 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。 本次的新研究将会加深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。
参考资料： http://www.icsb.tsinghua.edu.cn/index.php?c=show&id=859http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/6/460462.shtmhttps://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(21)00675-6?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2211124721006756%3Fshowall%3Dtrue
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