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IF48.5!北京大学&东北农业大学联手用“国自然”荣登《Nature》!发现OSTα/β的底物识别与转运机制!

  • 2026-10-27 00:14:05
IF48.5!北京大学&东北农业大学联手用“国自然”荣登《Nature》!发现OSTα/β的底物识别与转运机制!
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引言

胆汁酸在营养吸收、脂质代谢和炎症调控中发挥关键作用,其稳态由多种转运蛋白协同维持。人类有机溶质转运蛋白OSTα/β是胆汁酸肠肝循环中的重要外排转运体,其功能障碍与胆汁淤积、肝纤维化和先天性腹泻相关。然而,OSTα/β的组装方式、底物识别和转运机制长期未知。

本研究通过冷冻电镜解析了人源OSTα/β与胆固醇及内源性底物DHEAS的复合物结构,揭示其以“异源二聚体之二聚体”的全新寡聚形式组装,并提出了胆汁酸沿蛋白脂质通路双向转运的独特机制。

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文献解读

文章标题:人胆汁酸转运蛋白OSTα-OSTβ的结构与机制

发表期刊:Nature

发表时间:2026年1月28日

影响因子:IF45.8/Q1

研究背景

胆汁酸是胆固醇的代谢产物,在消化吸收、脂质代谢和炎症调控中发挥关键作用。OSTα/β是肠肝循环中重要的胆汁酸外排转运体,其功能障碍可导致胆汁淤积、肝纤维化等疾病。本研究通过冷冻电镜结合功能实验和分子动力学模拟,首次揭示了OSTα/β的独特结构和转运机制。

研究方法

本研究首先通过荧光共振能量转移和转运功能实验验证OSTα/β的异源二聚体组装及其对牛磺胆酸的转运活性。结合点突变功能验证、热稳定性分析和分子动力学模拟,阐明底物识别口袋、转运通路和双向转运机制。

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研究结果
1

OSTα/β以异源二聚体形式组装且为功能必需

转运功能实验证实,OSTα或OSTβ单独表达时无转运活性,而共表达两者可恢复牛磺胆酸摄取,该转运呈浓度依赖性(图1)。

图1. 人OSTα/β的功能与结构

FRET实验显示OSTα-OSTα存在同源相互作用,且该相互作用不依赖OSTβ。通过ALFA标签融合和纳米盘重构,研究成功纯化出稳定的OSTα/β复合物。

2

OSTα/β以“二聚体之二聚体”形式组装

冷冻电镜结构首次揭示OSTα/β以“二聚体之二聚体”形式组装:两个OSTα亚基构成同源二聚体核心,两个OSTβ亚基分别结合于OSTα的外围(图2)。

图2. 人OSTα/β的二聚体界面

致病突变B-F27fs和A-Q186*导致复合物组装失败和转运活性丧失,证实异源二聚体组装对功能至关重要。

3

胆固醇结合位点和棕榈酰化修饰

结构中发现5个胆固醇结合位点,其中CHOL1位于TM5、TM6和ICL2形成的沟槽中。OSTα的ICL2含有独特的富半胱氨酸基序,该基序发生S-棕榈酰化修饰,棕榈酰链直接参与CHOL1中底物的结合(图3)。

图3. OSTα/β中的胆固醇和棕榈酰化位点

单点和多点半胱氨酸突变显著降低转运活性和蛋白热稳定性。

4

胆汁酸和类固醇的共享结合位点 

OSTα/β-DHEAS结构揭示DHEAS结合于CHOL1位点,其硫酸根与R241、R244和Q260形成极性相互作用,甾环与周围残基及棕榈酰链形成疏水接触(图4)。

图4. OSTα/β中底物识别的结构基础

点突变证实该位点同时也是牛磺胆酸的结合位点,但不同底物的头部基团与结合残基的相互作用模式存在差异。

5

分子动力学模拟揭示底物翻转机制

常规MD模拟显示OSTα/β整体结构相对刚性,ICL2和ECL2具有较高柔性,可作为胞内和胞外门控(图5)。

图5. MetaD模拟揭示胆汁酸转运机制

Metadynamics模拟重建了TCA跨膜转运的自由能景观,揭示TCA以“头朝下”结合于CHOL1位点,经正电性空腔中K191介导,发生“头朝上”翻转,完成跨膜转运。该过程不伴随整体构象变化。

文章小结

本研究首次揭示了人胆汁酸转运蛋白OSTα/β的高分辨率冷冻电镜结构,阐明其以“异源二聚体之二聚体”形式组装的独特寡聚模式,鉴定了胆固醇结合位点和功能性棕榈酰化修饰,发现底物结合于由TM5/6和棕榈酰链构成的蛋白脂质口袋,并通过正电性空腔中K191介导的底物“头朝下”到“头朝上”翻转完成跨膜转运。

该机制代表了一种全新的、不依赖交替访问的底物转运模式,为理解胆汁酸稳态调控和相关疾病治疗提供了结构基础。

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END
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