撰文 | 小白薯
責編 | 酶美
SREBP（ sterol regulatory element-binding protein）訊號通路透過一系列負反饋機制調控著細胞內固醇類物質的穩態。SREBP是一類可以結合sterol調控元件序列的轉錄因子，屬於basic-helix-loop-helix leucine zipper (bHLH-zip)家族。哺乳動物中，SREBP有三種不同的形式，分別是SREBP-1a, SREBP-1c和SREBP-2。SREBP-1系列主要負責脂肪的從頭合成，a和c在不同的組織中的表達譜不一樣；SREBP-2主要負責膽固醇的代謝和穩態【1,2】。在未啟用狀態下，SREBP的N-terminal轉錄因子結構域和C-terminal調節結構域由兩個跨膜結構域相連，像髮卡一樣卡在ER膜上，並且兩端結構域此時都面對著胞質，而連線兩個跨膜結構域的loop大概有30個氨基酸在ER的內腔（圖1）。SREBP的C-terminal結構域組成型的結合Scap (SREBP cleavage-activating protein)蛋白的C端WD40結構域。在WD40結構域前，Scap蛋白還包含8個跨膜結構域，其中S2-S6是固醇感受器結構域（sterol-sensing domain, SSD）【1-3】（圖1）。
當sterol比較豐富時，Scap和另一個ER上的膜蛋白Insig-1/2 (insulin-induced gene)相互作用，此時Scap和SREBP-2也相互結合在ER的膜上。Scap和Insig的結合需要膽固醇或膽固醇的類似物參與，比如 25-hydroxycholesterol (25HC)。當sterol水平下降時，Insig和Scap不再相互作用，此時Scap會經歷一系列結構變化去暴露出它的膜泡轉運訊號“MELADL”，於是Scap拽著SREBP-2一起，會在COPII介導的囊泡運輸作用下從ER轉運到高爾基體。一旦到了高爾基體，SREBP-2/Scap複合物就會遇到活化的蛋白酶，S1P (site-1 protease)和S2P。S1P首先會把SREBP兩個跨膜結構域的loop切斷，將SREBP分成兩個部分，此時每一部分仍然有一個跨膜結構域保留在膜上。隨後S2P會繼續在連線SREBP N端結構域的跨膜區切割，於是SREBP的N端轉錄因子結構域被釋放，然後進核啟動相關基因的表達【1-3】（圖1）。
圖1. SREBP訊號通路簡化示意圖
儘管這條訊號通路已經發現了幾十年，但是具體的結構資訊和分子機制仍然尚未被完全闡述。2021年1月15日，Science雜誌線上發表了來自顏寧和閆創業合作發表，題為“A structure of human Scap bound to Insig-2 suggests how their interaction is regulated by sterols”的研究長文，透過冷凍電鏡技術，解析了人源Scap和Insig-2包含25HC分子的複合物結構，揭示了固醇類分子調節SREBP訊號通路的分子機制。
為了闡明該訊號通路分子機制，在此前，一些低等物種的同源結構也有被陸續解析。比如，來自古細菌的S2P MjS2P的晶體結構【4】，分枝桿菌Insig同源結構 MvINS【5】，和來自酵母的SREBP和Scap C端結構域的同源蛋白，Sre1【6】和Scp1【7】。SSD結構域在很多蛋白中可見，並且有很多工作已經揭示了SSD的結構資訊，比如Niemann-Pick type C (NPC1), Patched 1(Ptch1), NPC1L1, 和Dispatched蛋白的冷凍電鏡結構【8-13】。儘管如此，在SREBP訊號通路中，25HC（或其他類固醇分子）的結合位點和Scap與Insig的相互作用機制仍然未知。此外，此前報道顯示Insig結合25HC而不是膽固醇，然而Scap卻只能結合透過它的內腔結構域（Loop1）結合膽固醇。
為了更加清晰的闡述相關分子機制，作者結合生化和冷凍電鏡技術，解析了Scap_Insig-2_25HC三者的複合物結構。結構中，跨膜結構域的平均解析度3.7 Å。Scap的SSD和Insig-2的所有跨膜區結構都被解析，其中25HC分子像三明治一樣夾在Scap的S4-S6部分和Insig-2的TM3/4之間 （圖2）。
圖2. Insig-2和Scap包含25HC的複合物結構
結構顯示，Scap的S4中間“解旋”狀態部分對於25HC的結合和Insig相互作用至關重要。Scap的跨膜結構域與NPC1和Ptch1類似，但是Scap在S4區域有一個特別之處—Scap的S4在中間“斷開”形成了一個類似解旋的扭結，使S4分成了兩個半個的helix，S4a和S4b （圖2）。但在NPC1和Ptch1的相應區域是完整的。正是由於這個扭結，使得S4a向SSD內傾斜，給配體的結合騰出了空間。結構和生化實驗證明，S4螺旋的不連續對於配體的結合和與Insig-2的相互作用不可或缺。
Insig-2的結構與此前解析的MvINS結構類似。在MvINS的晶體結構中，一個內源的diacyl-glycerol (DAG)分子插入在TM1/2/3/5的中心口袋中。結構類比之後，發現在Insig-2的相應區域也有類似的口袋，此前的結構預測該口袋也是用來裝固醇類配體的【5,14】。但是，透過解析的結構發現，儘管在相應的區域確實存在一個相似的口袋，但是在口袋內沒有觀察到任何的電子密度。進一步發現，25HC實際上是結合在Scap和Insig-2的相互作用介面。而對於在口袋附近進行氨基酸突變也不會明顯影響25HC依賴的Scap-Insig-2相互作用（圖3），進一步證實了口袋並非結合配體的位置。
圖3. Insig-2上的口袋對25HC結合的影響
總的來說，結合整個結構和生化實驗結果，文章較完整的揭示了Scap和Insig-2之間以25HC依賴的方式的跨膜相互作用分子機制（圖4）。儘管如此，依然還有很多問題需要被解決。比如為什麼有了配體的結合後，Scap的構象就會阻止MELADL motif被囊泡的識別，不被轉運至高爾基體？在Scap上，以膽固醇依賴的方式進行構象改變的Loop1是否會耦連S2和S4的運動？單獨的Scap和Insig結構又長得怎麼樣？等等一些問題，不是這一個結構可以解釋的，不過該結構給這些未來更復雜的問題提供了一定的線索和啟示。
圖4. 簡化的分子機制模型
顏寧、閆創業為論文共同通訊作者，西湖大學博士後鄢仁鴻、清華大學博士生曹平平、宋聞麒為本文的共同第一作者。冷凍電鏡資料分別在國家蛋白質科學中心（北京）清華大學冷凍電鏡平臺和西湖大學冷凍電鏡平臺收集，清華大學高效能計算平臺和西湖大學超算中心分別為本研究的資料處理提供了支援。
原文連結：
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/01/13/science.abb2224
參考文獻
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