TMEM164冷冻电镜结构揭示独特的抗铁磷脂重塑机制及其抗铁死亡潜能

《Nature Communications》：Cryo-EM structure of TMEM164 reveals distinct phospholipid remodeling mechanisms with anti-ferroptotic potential

本研究针对脂质重塑如何调控细胞命运这一前沿问题，通过全基因组CRISPR筛选发现TMEM164是新型抗铁死亡因子。研究人员解析了其冷冻电镜结构，揭示其作为膜脂质重塑酶通过独特PUFA-C123中间态调控磷脂组成，并验证了其关键催化中心。研究还通过虚拟筛选发现了高效抑制剂Montelukast S-对映体。该成果发表于《Nature Communications》，为铁死亡相关疾病治疗提供了新靶点。

　　

细胞膜上的磷脂不仅构成细胞的物理屏障，更通过其动态组成参与调控细胞的生命活动。其中，脂质重塑——即磷脂分子中脂肪酸链的替换过程——如何精确影响细胞命运决定，尤其是与一种新型程序性细胞死亡方式“铁死亡(ferroptosis)”的关联，仍是生命科学领域亟待破解的谜题。铁死亡 characterized by iron-dependent lipid peroxidation（铁依赖性脂质过氧化），与神经退行性疾病、缺血再灌注损伤以及肿瘤治疗耐药等多种重要病理过程密切相关。尽管谷胱甘肽过氧化物酶4(GPX4)作为关键的抗铁死亡蛋白已被广泛认知，但细胞是否存在其他并行或替补的防御通路，以及膜脂质组成如何被主动调控以决定细胞对铁死亡的敏感性，是当前领域面临的核心挑战。

为了回答这些问题，一项发表于《Nature Communications》的研究应运而生。研究人员通过整合多种技术平台，揭示了跨膜蛋白TMEM164的全新功能，将其确立为一个关键的膜脂质重塑酶，并阐明了其通过独特机制抵抗铁死亡的结构基础与分子机理。

研究者主要运用了以下几项关键技术：首先，通过全基因组CRISPR筛选在GPX4抑制剂RSL3诱导的铁死亡模型中寻找新的抗铁死亡基因；其次，利用单颗粒冷冻电子显微镜(cryo-EM)解析了TMEM164蛋白的高分辨率三维结构；此外，结合细胞生物学功能实验（功能缺失与功能获得）、点突变验证以及计算机辅助的虚拟药物筛选等技术，系统揭示了TMEM164的功能、机制和靶向潜能。

TMEM164被鉴定为新型抗铁死亡因子

通过全基因组CRISPR筛选，研究人员发现敲除TMEM164基因能够显著增强细胞对GPX4抑制剂RSL3诱导的铁死亡的敏感性，这表明TMEM164是一个潜在的抗铁死亡基因。这一发现将TMEM164推向了铁死亡调控网络的核心位置。

TMEM164的冷冻电镜结构揭示其独特的架构

为了理解TMEM164的工作原理，研究人员解析了其接近原子分辨率的冷冻电镜结构。结构分析显示，TMEM164以同源二聚体形式存在，每个单体包含7个跨膜结构域。更引人注目的是，结构中部存在一个金属离子催化中心，并且捕获到了一个磷脂底物处于一个非常独特的中间态——多不饱和脂肪酰基(PUFA)与第123位半胱氨酸(C¹²³)共价连接的酰基-酶中间体状态。这一“快照”为理解其催化机制提供了直接视觉证据。

关键氨基酸残基对其功能至关重要

基于结构信息，研究人员对催化中心的关键残基C¹²³以及可能参与金属离子螯合的残基（如E¹⁰⁶, Y¹⁷⁷, H¹⁸¹）进行了点突变验证。功能实验表明，这些位点的突变会显著削弱或完全破坏TMEM164的抗铁死亡能力，证实了这些残基在催化过程中的不可或缺性。

TMEM164通过重塑磷脂酰乙醇胺(PE)谱调控铁死亡敏感性

深入研究其生化功能，团队发现TMEM164能够特异性地影响磷脂酰乙醇胺(phosphatidylethanolamine, PE)的组成。无论是敲低还是过表达TMEM164，都会导致细胞中易于过氧化的多不饱和脂肪酸修饰的PE(PUFA-ePE)水平下降，而相对不易过氧化的单不饱和脂肪酸C16/18:1-ePE水平升高。这种磷脂组成的改变最终共同导致细胞对RSL3诱导的铁死亡产生抵抗。这表明TMEM164作为一个脂质重塑酶，其活性需要被精确调控以维持膜脂稳态。

针对TMEM164的抑制剂筛选与验证

最后，研究团队通过虚拟筛选和合理药物设计，寻找能够靶向TMEM164的潜在抑制剂。他们成功鉴定并验证了数个候选抑制剂，其中孟鲁司特(Monteukast)的S-对映体表现出极高的亲和力，其活性比另一种对映体高出4个数量级。这为未来开发靶向TMEM164的探针分子或潜在疗法奠定了基础。

综上所述，本研究首次将TMEM164界定为一个重要的膜脂质重塑酶，它通过其独特的结构和催化机制，精细调控细胞膜上PE磷脂的脂肪酸组成，从而深刻影响细胞的铁死亡命运。该研究不仅揭示了独立于经典GPX4通路之外的抗铁死亡新机制，拓宽了人们对铁死亡调控网络的认识，而且展示了从基因筛选到结构解析，再到功能验证和抑制剂发现的整合生物学研究范式的强大力量。TMEM164结构的解析为针对该靶点的理性药物设计提供了精确的蓝图，对开发治疗铁死亡相关疾病（如器官损伤、神经退行性变和癌症）的新策略具有重要的指导意义。