ORP家族在细胞器膜接触位点结合/转运脂质的分子机制

Cellular compartmentalization into membranous organelles requires precise spatio-temporal distribution of certain lipids and proteins, and the intracellular trafficking of lipids is central to normal cellular homeostasis. Recent studies show that specific non-vesicular lipid transfer pathways play crucial roles in the maintenance of membrane lipid composition. The membrane contact sites (MCSs) between adjacent organelles are separated by gaps in the range of 23–25 nm and are highly enriched in lipid transfer proteins (LTPs), which are known mediators of non-vesicular lipid transport. The oxysterol-binding protein (OSBP) and its related proteins (ORP, for OSBP-related protein) have emerged as central regulators of sterol/lipid transport at the junctions formed by ER with other organelles. OSBP and its homologs are conserved among species from yeast (Osh family) to mammals (ORP family), as well as in plants. The conserved feature of the ORPs is a C-terminal ligand-binding domain (ORD, for OSBP-related domain), and most of the family members carry an N-terminal extension to mediate membrane association containing a FFAT motif designated “two phenylalanines in an acidic tract”, a pleckstrin homology (PH) domain or an ankyrin repeat-containing (ANK) domain. For most human ORPs, it has remained unclear how they mediate the formation of MCS, and whether they act as lipid sensors with regulatory functions or as lipid carriers, or even both. We will perform X-ray crystallography study, fluorescence and ITC analyses, and other functional assays, to unravel the modes of actions of human ORP family LTPs. We are also interested in the lipid specificity and the molecular mechanism of plant ORPs. Advances in understanding their structures and functions will shed new light on the drug development targeting ORP proteins.

近年来，人们发现非囊泡脂质转运对于维持各种细胞器及细胞质膜的脂质组成非常关键。相邻细胞器之间形成的膜接触位点MCS大都富集一类脂质转运蛋白LTPs，其中ORP家族在内质网与其它细胞器之间的脂质转运中发挥着重要作用。ORP家族保守存在于从酵母到哺乳动物以及植物等各个物种中，均包含一个可结合脂质的ORD结构域，大部分成员还有一个介导膜定位、MCS形成的功能区，包含FFAT基序和PH、ANK结构域等。目前对酵母同源蛋白的作用机制研究较多，但许多人源及植物ORP蛋白发挥生理功能的分子机制还不清楚。本项目将以结构解析为基础，综合运用多种生物化学和分子生物学方法，研究人源ORP蛋白介导MCS形成的分子机制，及其ORD结构域结合脂质的特异性和结构基础，并展开小分子药物筛选。我们还将探索植物ORP蛋白的结构和功能。希望本项目的研究结果能够丰富人们对人源及植物ORP家族生理功能的了解，并促进相关药物的研发。

OSBP/ORP是一类从酵母到哺乳动物以及植物都高度保守的氧化固醇结合蛋白家族，能够感受脂质分布的变化或参与脂质在不同细胞器间及细胞质膜之间的转运，并介导细胞内不同膜结构之间膜接触位点（membrane contact site, MCS）的形成，调控脂代谢及一些信号通路。ORP家族均包含一个可结合脂质的ORD结构域，大部分成员还有一个介导膜定位、MCS形成的功能区，包含FFAT基序和PH、ANK结构域等。对于大多数人源ORPs来说，它们如何介导MCS的形成，以及它们是作为具有调节功能脂质转运器或是感受器，甚至是两者兼有，仍不清楚。本课题对人源ORP蛋白介导MCS形成的分子机制，及其ORD结构域结合脂质的特异性和结构基础展开了研究。我们也对植物ORPs特异性结合脂质的分子机制进行了探讨，取得多项重要进展。（1）ORP2能够选择性地将胆固醇运送到细胞质膜上，同时将细胞质膜上的PI(4,5)P2运走，从而调节细胞质膜上这两种重要脂质的含量。PI(4,5)P2诱导ORP2-ORD形成四聚体，对ORP2交互转运胆固醇和PI(4,5)P2是必需的。在此基础上，提出ORP2调节这两种重要脂质在细胞质膜上含量的分子模型。（2）ORP1不能转运任何PIPs，而是一个受特定双磷酸化PIP（PI(4,5)P2或PI(3,4)P2）调控的“单向”胆固醇转运蛋白。基于此，首次提出PI(4,5)P2/PI(3,4)P2促进ORP1与膜结合能力及转运胆固醇速度的别构调控机制。（3）解析了ORP5-ORD及其与PS的复合物结构，完善了之前提出的ORP5/8在ER-PM膜接触位点处交互转运PI(4,5)P2和PS模型。（4）ORP9和ORP10/11可结合和转运PS和多种不同PIPs，但没有结合DHE能力，且PS能够促进PIPs转运，解析了ORP9与PI4P和PS的复合物及ORP10与PS的复合物结构。（5）检测了植物拟南芥中ORP家族结合DHE、PIP、PS等多种脂质的能力，发现不同亚家族之间脂质识别有着巨大差异性。（6）植物SFH5能特异性地识别和转运细胞膜上的PA，调节叶绿体的脂质代谢和发育，同时解析了SFH5与PA复合物结构，揭示植物SFH结合和转运脂质的分子机制。综上所述，这些研究成果大大促进了人们对ORP家族蛋白与不同脂质间结合能力的差异及其分子机制的认识。