人类凋亡磷脂翻转酶Xkr4的结构与功能解析：揭示膜变薄介导的脂质 scrambling 新机制

本研究通过生物化学与冷冻电镜技术，揭示了人类凋亡磷脂翻转酶Xkr4的全长单体活性构象，发现其通过ND重复区带电残基诱导膜变薄促进脂质翻转，挑战了传统 caspase 切割激活理论。该发现为理解凋亡细胞清除异常引发的炎症性疾病（如系统性红斑狼疮）提供了新视角。

　　

在生命活动中，细胞凋亡如同精密的"自我了断"程序，而磷脂酰丝氨酸(PS)在细胞膜外叶的暴露则是其最重要的"遗言"。这道分子信号被巨噬细胞识别后，凋亡细胞得以被及时清除。若该过程出错，便会引发系统性红斑狼疮等自身免疫疾病。长期以来，X-Kell相关(Xkr)蛋白家族被认为是介导这一过程的关键"信号书写者"，但其分子机制却如同密码般难以破译。传统观点认为，Xkr蛋白需要被 caspase 切割、形成二聚体才能激活，但这一理论缺乏直接的结构证据。

美国威尔康奈尔医学院的研究团队在《Nature Communications》发表的研究，通过冷冻电镜和分子动力学模拟等技术，首次捕获了人类Xkr4(hXkr4)的全长活性构象。研究发现，单体形式的hXkr4本身就具有脂质翻转活性，其新颖的构象通过三个保守酸性残基(D125/D129/E313)形成负电表面，诱导膜变薄从而促进脂质翻转。这一发现不仅颠覆了 caspase 切割激活的传统认知，更揭示了膜变薄可能是 scramblase 的通用工作机制。

研究采用多技术联合作战：通过荧光排阻色谱(FSEC)筛选稳定表达体，利用脂质体 native 质谱(nMS)证实hXkr4为单体状态，建立体外脂质翻转功能检测体系评估不同膜环境下的活性差异，最终通过3.45?冷冻电镜解析活性构象，并结合分子动力学模拟揭示膜变薄机制。

Structure and function of the human apoptotic scramblase Xkr4

研究首先发现全长hXkr4在7:3 POPC:POPG脂质体中展现强翻转活性（速率常数3.9×10^-2 s^-1），且对PE/PC/PS无选择性。通过nMS证实其活性形式为单体，并意外检测到PS和PIP₂的结合信号，暗示这些脂质可能参与调控。

Caspase cleavage is not required for the in vitro activity of Xkr4 and CED-8

突破性发现全长hXkr4和线虫CED-8无需 caspase 切割即具活性，ΔCED-8（模拟切割形式）活性与野生型相当，直接挑战了切割激活理论。

Modulation of hXkr4 scrambling activity by membrane properties

在膜厚度实验中，C14脂质体活性最强（速率7.0×10^-2 s^-1），而C22脂质体活性降低30倍，证明膜物理特性是活性的关键调节因素。

CryoEM structure of hXkr4

冷冻电镜结构揭示hXkr4采用全新构象：ND与CD重复区旋转打开C1空腔，TM3在P316处断裂形成TM3a/TM3b，三个酸性残基(D125/D129/E313)构成带负电的"阶梯"，与Xkr8的闭合构象显著不同。

Hydration and membrane thinning by the active hXkr4 conformation

分子动力学显示，在POPC膜中，TM1-TM2动态分离使ND前庭水化（16个水分子），诱导外叶脂质倾斜（最近处仅15?），而AlphaFold预测的闭合构象无此现象。

Role of charged residues in membrane thinning and lipid scrambling

D125N/D129N/E313Q突变体活性降低1.3-2.5倍，模拟显示这些残基通过静电作用稳定膜变形状态，验证了"阶梯残基"的功能重要性。

这项研究重塑了对Xkr蛋白工作机制的理解：首先，活性构象中ND重复区的动态开放是功能核心，而非传统认为的 caspase 切割；其次，膜变薄可能是 scramblase 的共性特征，这为设计调控凋亡信号的小分子提供了新靶点。特别值得注意的是，Xkr4在神经系统高表达，其突变与注意力缺陷多动症(ADHD)相关，该发现为神经退行性疾病的治疗策略开发开辟了新思路。研究还建立了首个体外重构的Xkr功能分析体系，为后续药物筛选奠定基础。正如作者指出，这种"静电诱导膜变形"机制可能普遍存在于其他膜蛋白中，将成为未来膜生物学研究的重要方向。