Science：重大进展！揭示内质网P5A-ATPase是一种跨膜螺旋脱位酶

作者：杨超月

2020年9月27日讯/生物谷BIOON/---真核细胞含有膜包围的具有不同身份和功能的细胞器，这些细胞器的身份和功能取决于蛋白组成。因此，蛋白的正确定位是细胞器功能和细胞稳态的关键。内质网（ER）和线粒体外膜是新合成的具有疏水跨膜区的蛋白的主要目的地。膜蛋白定位不仅需要高保真的蛋白靶向，还需要选择性地去除错误定位的蛋白的质量控制机制。在线粒体外膜，ATP依赖性的马达蛋白Msp1/ATAD1可以去除一些错误定位的跨膜蛋白。相比之下，虽然针对内质网的蛋白靶向研究得很好，但是对清除内质网膜上的错误靶向的跨膜蛋白的机制还未完全了解。

在一项新的研究中，作为一种研究膜蛋白定位的模型，来自美国哈佛医学院和加州大学伯克利分校的研究人员着重关注尾锚定蛋白（tail–anchored protein），尾锚定蛋白含有的单个C端跨膜区对细胞器定位是必要的，并且在很大程度上是充分的。他们推断，介导线粒体尾锚定蛋白定位的因子会直接与新生蛋白相互作用。

这些作者使用了一种无偏见的、位点特异性的交联和质谱方法来鉴定这样的蛋白跨膜区。这种方法揭示了内质网驻留的孤儿P型泵P5A-ATP酶（酵母中的Spf1；人类中的ATP13A1）直接与线粒体尾锚定蛋白相互作用。

由于遗传学研究已经将P5A-ATP酶（P5A-ATPase）与线粒体尾锚定蛋白错位联系起来，这些作者结合生化和结构方法来确定P5A-ATP酶的功能和机制。相关研究结果发表在2020年9月25日的Science期刊上，论文标题为“The endoplasmic reticulum P5A-ATPase is a transmembrane helix dislocase”。

P5A-ATPase将错误定位的跨膜螺旋从内质网中移出，图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5809。

P型ATP酶形成了一大类活跃的转运蛋白，存在于所有生命界，主要通过跨细胞膜运输离子或脂质。P5A-ATP酶属于真核生物特异性的P型ATP酶亚家族，它们的底物特异性是未知的。

这些作者在无细胞系统中重建了膜蛋白插入细胞器过程，并利用位点特异性交联揭示了P5A-ATP酶直接与线粒体尾锚定蛋白的跨膜区相互作用。缺乏ATP13A1的人细胞表现出线粒体尾锚定蛋白错误定位到内质网和分泌途径。在体外试验中，新合成的线粒体尾锚定蛋白异常地积累在缺乏P5A-ATP酶活性的内质网囊泡中。这种积累是由于从缺乏ATP13A1的内质网膜中移除错误插入的线粒体蛋白受损所致。

酿酒酵母Spf1在3.3～3.7埃分辨率下的不同构象的低温电镜结构显示，与其他已知结构的P型ATP酶相比，P5A-ATP酶具有一个非典型的大的底物结合口袋。该口袋交替地向内质网腔和细胞质打开，同时通过一个侧向开口保持对脂质双层的接触。捕获假定底物进行结构测定，发现在这个侧向开口处有额外的类似于α螺旋跨膜区的跨膜密度。结合野生型细胞和P5A-ATP酶敲除细胞的蛋白质组学数据，这些研究结果表明，P5A-ATP酶可以将错误插入到内质网中的具有短亲水腔结构域的中度疏水性跨膜区移出。

综上所述，这些作者将P5A-ATP酶的功能确定为内质网膜上跨膜区的脱位酶（dislocase）。这种功能分配表明P型ATP酶除了转运离子和脂质之外，还转运底物。P5A-ATP酶积极地将错误插入的蛋白从内质网中移出，也代表了一种以前未知的细胞保障和质量控制机制，有助于维持内质网和线粒体稳态，这也可能解释了与P5A-ATP酶功能障碍相关的多效表型。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Michael J. McKenna et al. The endoplasmic reticulum P5A-ATPase is a transmembrane helix dislocase. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5809.