《Signal Transduction and Targeted Therapy》：A lipid-tuned bile acid exporter: structural insight into intestinal bile acid efflux
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在最近两项《自然》研究中，Yang等人和Wang等人独立揭示，人类有机溶质转运蛋白αβ（OSTαβ）是一种脂质调谐的胆汁酸外排蛋白，具有先前未被识别的折叠和侧向进入转运通路。这些发现为理解肠肝循环中基底外侧胆汁酸外排及其与代谢信号、胆汁淤积疾病和治疗靶向的相关
在最近两项《自然》研究中，Yang等人和Wang等人独立揭示，人类有机溶质转运蛋白αβ（OSTαβ）是一种脂质调谐的胆汁酸外排蛋白，具有先前未被识别的折叠和侧向进入转运通路。这些发现为理解肠肝循环中基底外侧胆汁酸外排及其与代谢信号、胆汁淤积疾病和治疗靶向的相关性提供了结构框架。胆汁酸支持脂质吸收，并作为强效信号分子调节代谢和免疫通路，已成为多个器官的关键代谢调节因子。它们的肠肝循环依赖于肠道和肝脏中的协调转运步骤，但胆汁酸从肠细胞进入门脉循环的基底外侧外排长期以来在结构上未得到解析。这种外排由有机溶质转运蛋白αβ介导，该蛋白也转运类固醇结合物和外源物，其功能障碍导致胆汁淤积和代谢疾病。OSTαβ在回肠肠细胞、肝细胞、脑和肾上腺组织中高表达，介导结合胆汁酸和硫酸化类固醇的基底外侧输出。早期小鼠遗传学研究表明，Ostα–Ostβ对肠道基底外侧胆汁酸外排和维持胆汁酸池大小至关重要，将该异源二聚体载体定位为肠肝循环的关键基底外侧组分。OSTα或OSTβ的功能缺失变异与新生儿胆汁淤积、慢性腹泻和全身性胆汁酸失衡相关，表明该转运蛋白在肠肝回路中不可替代。
**论文解读：脂质调谐的胆汁酸外排蛋白OSTαβ的结构与功能机制**
**研究背景与问题**
胆汁酸在肠道脂质吸收中发挥核心作用，并作为信号分子调节代谢、免疫和内分泌通路。其肠肝循环依赖于顶端吸收（ASBT介导）和基底外侧外排（OSTαβ介导）的协调。然而，基底外侧胆汁酸外排的结构机制长期悬而未决，而OSTαβ的功能障碍与胆汁淤积、代谢紊乱等疾病密切相关。既往研究虽证实OSTαβ为关键外排蛋白，但其折叠方式、脂质调节机制和转运通路均不清晰，阻碍了疾病机制解析和药物靶向开发。为此，研究人员开展本研究以阐明OSTαβ的结构基础及脂质调谐特性。
**研究内容与结论**
研究人员利用单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）解析了人源OSTαβ的空载（apo）构象及与牛磺石胆酸（TLCA）、脱氢表雄酮硫酸酯（DHEAS）结合的结构，均为面向细胞内构象。结合电生理记录、场加速分子动力学（f-A MD）模拟和突变分析，揭示了OSTαβ的对称四聚体组织结构（C2对称性）、脂质（棕榈酰化及磷脂）对结构稳定性的调谐作用、侧向进入转运通路（底物从内膜叶进入侧向结合槽，经亲水隧道向胞外移动），以及电压-梯度依赖的双向转运模式。这些发现证明OSTαβ采用不同于NTCP/ASBT的机制，为理解基底外侧胆汁酸外排及疾病变异提供了结构蓝图。
**重要意义**
本研究首次揭示OSTαβ的折叠方式及脂质调谐机制，为靶向肠内胆汁酸外排以治疗胆汁淤积、代谢及炎症疾病（如糖尿病、非酒精性脂肪肝）提供了可能。论文发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》。
**主要关键技术方法**
1. **单颗粒冷冻电镜（cryo-EM）**：解析apo、TLCA结合和DHEAS结合态OSTαβ结构，分辨率足以识别底物密度和脂质分子。
2. **全细胞膜片钳电生理**：在OSTαβ表达细胞中记录DHEAS诱导的电压依赖性电流，验证双向转运特性。
3. **场加速分子动力学（f-A MD）模拟**：模拟DHEAS从侧向槽向隧道移动的动态过程，揭示瞬时构象变化和静电相互作用。
4. **突变与功能分析**：通过丙氨酸替换关键残基（Arg241、Arg244、Gln260），检测放射标记牛磺胆酸摄取变化，验证底物结合位点。
（无特定样本队列来源）
**研究结果**
**OSTαβ的整体结构**：通过cryo-EM解析apo、TLCA和DHEAS结合态结构，显示OSTαβ形成对称四聚体（异二聚体二聚体）。每个异二聚体由7次跨膜（TM）的OSTα和单次跨膜的OSTβ组成，胞外侧有帽状结构，胞内侧有两亲性螺旋和富含半胱氨酸区域。结构比对表明OSTα折叠此前未被报道，并与TMEM184蛋白家族有进化联系。
**脂质对结构稳定性的调谐作用**：胞内侧TM3-TM4环形成螺旋后接富含半胱氨酸基序（7个棕榈酰化半胱氨酸），包裹TM5和TM6。棕榈酰化（尤其Cys161与Trp234相互作用）稳定侧向底物结合槽；突变或抑制棕榈酰化降低牛磺胆酸摄取并导致胞内滞留。磷脂（如磷脂酰乙醇胺）和胆固醇分子桥接相邻异二聚体，中和带电残基并形成疏水核心稳定四聚体；脂质配位残基在脊椎动物中保守，暗示脂质介导的组装策略保守。
**底物结合位点与侧向进入机制**：在TLCA和DHEAS结合结构中，底物密度位于由TM5、TM6和棕榈酰化环形成的侧向槽内（近胞内膜界面）。TLCA和DHEAS的负电硫酸/磺酸基团接触Arg241和Arg244，TLCA另结合Gln260。空载态下胆固醇占据同一槽位。Ala替换Arg241/Arg244/Gln260显著降低牛磺胆酸摄取，表明该槽偏好两亲性负电底物。此外，胞外侧存在溶剂可及隧道（由“侧叶”TM4-TM5和“主叶”TM0-TM3/TM6/TM7形成），经ECL1、ECL2及Pro209-Glu116闸门连接侧向槽至胞外空间。f-A MD模拟支持DHEAS从侧向槽向隧道向上移动，伴随Pro209-Glu116闸门短暂开放及DHEAS硫酸基与Lys191长程静电作用。该侧向进入模型与NTCP/ASBT的深埋结合口袋截然不同。
**双向转运的电生理特征**：全细胞膜片钳显示胞外DHEAS诱导电压依赖性电流，极性随膜电位反转，幅度随DHEAS浓度增加，符合易化扩散——膜电位和底物梯度共同决定转运方向。
**讨论与结论**
从信号转导和靶向治疗角度，结构蓝图提供了解释致病OSTα/OSTβ突变（如胆汁淤积、先天性腹泻）的框架，补充了小鼠敲除研究。侧向进入通路及其静电闸门为药物调节胆汁酸和类固醇外排提供了明确口袋，可用于调谐胆汁酸响应性代谢与炎症信号通路。由于基底外侧外排将胆汁酸送回肝脏，OSTαβ位置使其影响肠肝胆汁酸信号及葡萄糖/脂质代谢调控。近期工作表明化学修饰胆汁酸差异性地结合核受体及胆汁酸传感器，提示改变OSTαβ输出的胆汁酸和类固醇硫酸酯谱可影响全身代谢和炎症信号。OSTα与TMEM184家族的结构关联提示后者可能也发挥转运功能，但需直接验证。综上所述，本研究证明OSTαβ是一种脂质调谐的胆汁酸外排蛋白，采用侧向进入机制，确立了基底外侧胆汁酸外排的结构基础，并为相关疾病的治疗干预提供了新靶点。
