伴隨著衰老或異常紅細胞的清除，游離的血紅素同時被分解代謝。膽紅素是血紅素分解產生的一種高度疏水性分子，在人體內的積累常常導致各種疾病，包括黃疸和嚴重肝臟疾病。在肝細胞中，膽紅素經過與葡萄糖醛酸綴合，生成親水性的綴合膽紅素，最終被轉運蛋白ABCC2清除。人類ABCC2屬于ABC轉運蛋白超家族C亞家族，同時是一種多藥耐藥蛋白（MRP），定位于肝細胞的膽小管膜上，利用ATP水解產生的能量將葡萄糖醛酸膽紅素從肝細胞轉運到膽汁中進行代謝。先天ABCC2的功能缺陷導致綴合膽紅素在肝細胞中積累，誘發遺傳性綴合型高膽紅素血癥，又稱為杜賓-約翰遜綜合征（Dubin-Johnson syndrome）。除此之外，作為一種多藥耐藥蛋白，ABCC2還可以外排谷胱甘肽化的多種抗癌藥物，導致耐藥性。然而，ABCC2的三維結構及其轉運廣譜底物的分子機制未知。

圖 1. ABCC2的三維結構

近日，陳宇星教授和周叢照教授課題組利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了人類合膽紅素轉運蛋白ABCC2的無配基（apo-form）以及分別結合底物類似物和ATP/ADP的三種狀態的三維結構，整體分辨率分別為3.6、3.3和3.6 ?（圖1）。基于蛋白質結構以及生化分析，作者提出了一種獨特的調控結構域（R-domain）精細調控ABCC2底物識別的轉運的分子機制，相關研究成果以“Transport mechanism of human bilirubin transporter ABCC2 tuned by the inter-module regulatory domain”為題于2024年2月5日在線發表在《Nature Communications》上。

結構分析表明，apo-form ABCC2結構呈現向細胞質基質開口（inward-facing）的構象，兩個核苷酸結合結構域（NBD）彼此分開。連接NBD1與跨膜結構域TMD2的調控結構域（R-domain）折疊成發夾結構，并結合到底物轉運口袋中，阻止底物的結合，將蛋白質鎖定在非活性構象。一旦結合生理底物類似物--二牛磺酸膽紅素（BDT），ABCC2仍然處于inward-facing構象，但是R結構域從底物結合口袋中釋放。基于結構和生化分析結果，我們推測R結構域作為競爭性親和力過濾器，阻止某些低親和力底物的結合，以確保高親和力綴合膽紅素優先向外轉運。ATP結合進一步促進ABCC2的構象轉變，NBD二聚化后ATP分子被水解，ABCC2轉變為封閉構象，底物釋放到膽小管中。在這種構象中，R結構域與跨膜螺旋TM14和TM15結合，使ABCC2穩定在這種ATP/ADP結合的活性轉換中間態，確保底物的有效轉運（圖2）。基于上述研究，可以清晰解釋R1150H突變體因為減弱了R結構域與TMD2的結合，使得ABCC2的轉運活性受損，因此導致臨床疾病。該研究不僅描繪了ABCC2在R結構域精細調控下的分子模型和底物轉運機制，還為ABCC2功能異常導致的杜賓-約翰遜綜合征的提供了分子病理學依據。

圖2. R結構域調控ABCC2底物轉運的機制模型

中國科學技術大學陳宇星教授、周叢照教授和侯文韜副教授為該論文的共同通訊作者，博士生毛耀許和博士后陳志鵬為該論文的第一作者。冷凍電鏡數據收集工作在中國科學技術大學集成影像中心完成。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委和中國科學院的資助。

原文鏈接：https://rdcu.be/dxQOp

（生命科學與醫學部、科研部）