ATP13A1通过SEC61介导底物特异性易位的分子机制及其在蛋白质精准定位中的关键作用

本研究揭示了P5A-ATP酶ATP13A1通过识别高疏水性/无特征电荷的非典型信号序列，协同SEC61转位复合体实现错误拓扑信号序列的二次易位机制。研究人员综合运用冷冻电镜（Cryo-EM）、遗传学与生化手段，解析了ATP13A1多构象结构（3.40-3.87 ?），发现其底物结合口袋通过极性相互作用特异性识别信号序列，为分泌蛋白和膜蛋白的精准定位提供了质量监控通路，对理解发育障碍和癌症等疾病相关蛋白定位异常具有重要启示。

　　

在真核细胞中，蛋白质能否准确到达目标位置直接决定细胞功能与稳态。约三分之一的蛋白质需要穿越内质网（ER）膜进行翻译后修饰，这一过程依赖信号序列的引导。然而，这些信号序列具有高度变异性——尤其是那些疏水性强且缺乏特征电荷的非典型序列，极易发生拓扑错误（即反向插入ER膜），导致蛋白质错误折叠甚至引发疾病。目前，细胞如何纠正这类错误仍是未解之谜。

针对这一科学难题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究中，首次阐明了P5A型ATP酶ATP13A1作为"纠错分子机器"的工作机制。通过构建线虫和人类细胞模型，结合冷冻电镜结构解析、光控激活技术和位点特异性交联实验，团队发现ATP13A1能特异性识别错误插入ER膜的高疏水信号序列（如LRP8SS和DMA-1SS），将其从膜上解离并递送至SEC61转位复合体进行二次易位。

关键技术包括：冷冻电镜解析ATP13A1的E1/E1P/E2P多构象（3.40-3.87 ?）；光控非天然氨基酸（mNPK/pAzF）标记技术追踪底物动态；线虫遗传筛选鉴定SRP54等关键因子；以及哺乳动物细胞中基于HaloTag的时空分辨易位监测系统。

主要研究结果：

1. P5A-ATP酶特异性识别非典型信号序列
   通过比较线虫DMA-1SS（P5A依赖）与PAT-3SS（非依赖）的易位效率，发现高疏水核心和N端缺正电荷是P5A依赖性的决定特征。人类LRP8SS的H28A突变证实C端电荷非必需，而N端插入正电荷可消除P5A依赖性。

2. ATP13A1纠正反向拓扑信号序列
   在ATP13A1缺失细胞中，LRP8SS::sfGFP以N^exo
   -C^cyto
   拓扑错误滞留ER膜，补充ATP13A1后通过光控激活实验证实其能促进预存错误底物的重新易位。碳酸盐提取实验证明滞留的LRP8SS具有膜整合特性。

3. 冷冻电镜揭示底物识别机制
   ATP13A1的E2P构象显示向外开放的底物口袋呈倒U型，保守残基E492/E496通过极性相互作用识别信号序列中的极性残基（如LRP8SS的Q25）。突变实验证实口袋中的F276/L499/L1029等疏水残基和双层极性残基（S279/T1018等）共同决定底物特异性。

4. SRP-SEC61通路的协同作用
   线虫遗传筛选发现SRP54（G257R突变）破坏DMA-1SS的ER靶向。免疫共沉淀显示ATP13A1(D533N)突变体增强LRP8SS与SEC61的结合，而ATP13A1过表达则降低这种互作，表明ATP13A1作为"底物递送者"将解离的信号序列转交给SEC61完成易位。

这项研究不仅揭示了ATP13A1-SEC61构成的蛋白质定位"质量检查点"，还从进化角度解释了真核生物中P5A-ATP酶的出现意义——随着信号序列复杂度增加，需要专门机制来应对高疏水序列的拓扑错误。在医学层面，ATP13A1功能缺陷与智力障碍、注意力缺陷多动症等发育疾病相关，其底物识别机制的阐明为相关疾病的治疗提供了新靶点。研究提出的"二次易位"模型修正了传统蛋白质转运理论，为理解SEC61非经典功能开辟了新视角。