研究揭示钠氢逆向转运蛋白NHE3-CHP1复合物自抑制调控机制的结构基础

哺乳动物Na⁺/H⁺逆向转运蛋白（Na⁺/H⁺ exchangers, NHEs）属于CPA1蛋白超家族，在生物膜两侧逆向转运质子和钠离子。NHE家族介导了离子的跨膜电中性转运，在调控胞内钠离子和pH稳态中发挥着重要功能。NHE3在人的胆囊中特异性表达，与胆囊中的水和电解质的吸收，以及管腔质子分泌相关。NHE3转运活性的调控由多种信号分子和调控蛋白参与。其中，神经磷酸酶B-同源蛋白1（CHP1）是NHE3蛋白发挥功能所必需的调控亚基，并与NHE3形成复合物。当NHE3活性降低时，胆囊吸收胆汁减少，从而使胆囊浓缩胆汁功能下降，诱发胆囊胆固醇结石等疾病的发生。NHE3功能失调导致的人类疾病还包括胆汁淤积、囊性纤维化、溃疡性结肠炎、腹泻和肠易激综合症等。

5月25日，中国科学院生物物理研究所赵岩课题组、张凯课题组和加拿大麦吉尔大学的John Orlowski课题组在Science Advances上合作发表题为Structural basis of autoinhibition of the human NHE3-CHP1 complex的研究论文。该研究报道了人源NHE3-CHP1内向开口构象的复合物结构，揭示了NHE3自抑制调控机制、磷脂酰肌醇分子（PI）增强NHE3转运活性的分子机理，以及CHP1对NHE3活性的调控机制。

2021年，该团队首次报道了NHE1-CHP1复合物内向构象和结合Cariporide的外向构象的高分辨率结构，系统揭示了NHE1在底物转运过程中的构象变化，并阐明了NHE1识别药物分子的机理。但是关于该家族蛋白的转运机制仍有关键问题尚未得到解决。例如，蛋白的C末端柔性区域以及脂分子如何调控转运蛋白的活性？近期，研究人员利用冷冻电镜单颗粒技术，解析了人源NHE3-CHP1复合物内向开口构象的高分辨率结构。在总体结构上，人源NHE3与NHE1结构类似，均呈现同源二聚体形式，每个单体包含13个跨膜螺旋。研究人员首次解析了NHE3的C末端结构域结构，包括HC4螺旋、HC5螺旋及它们之间的loop，形成一个发卡状模体结构。该模体像一个“塞子”插入了胞内侧负责结合底物的负电性空腔中，堵塞了细胞内侧空腔的入口。通过与NHE1外向开口状态的结构比对，该模体的结合同样抑制了转运蛋白的构象变化。因此，研究人员推测该结构处在抑制状态。功能实验也表明，HLH模体可以将NHE3的活性抑制在较低水平。此外，研究人员还发现了两个磷脂酰肌醇（PI）分子结合在NHE3二体界面外周近膜侧，发挥了锚定和稳定复合物结构的功能，这可能与PI增强NHE3的转运活性相关。

研究工作得到中科院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划、国家自然科学基金和加拿大创新基金会（Canadian Foundation for Innovation）的支持。

论文链接

NHE3-CHP1复合物的整体结构