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为什么有些人即使饮食健康、生活规律，仍然无法摆脱高胆固醇的困扰？这一切可能要归咎于一种名为载脂蛋白B100（apoB100，Apolipoprotein B100）的小分子。它不仅是低密度脂蛋白（LDL）的关键结构成分，还是LDL受体（LDLR）的“舞伴”。当它们之间的“舞蹈”出现问题时，就会导致家族性高胆固醇血症（FH），这是一种常见的遗传病，其特征是血液中LDL胆固醇（LDL-C）显著升高，并增加了心血管疾病的风险。 近日，一篇发表在国际杂志Nature上题为“Structure of apolipoprotein B100 bound to the low-density lipoprotein receptor”的研究报告中，来自美国国立卫生研究院等机构的科学家们取得了重大突破，首次揭示了apoB100如何与LDLR结合，开启了从血液中清除有害胆固醇的过程。这项研究不仅帮助科学家们更好地理解了LDL促进心脏病发生的分子机制，还为开发更有效的降胆固醇疗法提供了新的视角。正如医学博士Alan Remaley所说，“如果你想打败敌人，就必须了解它的长相。” 研究人员终于能够一窥这个“敌人”的真面目。 打个比方，LDL就像是一艘装满胆固醇的船，而apoB100则是这艘船上的关键舵手。当这艘船靠近细胞时，LDLR会伸出“手臂”抓住apoB100，从而将胆固醇卸载到细胞内。然而，如果舵手或“手臂”出了问题——例如由于基因突变——那么这艘船就无法顺利停靠，胆固醇就会在血液中堆积，最终沉积在动脉壁上，形成斑块，进而引发动脉粥样硬化和心脏病。 为了观察这一过程，研究人员使用了一种叫做冷冻电子显微镜（cryo-EM）的技术，这种技术就像是给分子拍了一张高清照片，使得科学家们可以清晰地看到apoB100与LDLR结合时的完整结构。研究者Joseph Marcotrigiano博士解释说，“LDL体积巨大且形状不规则，这让研究变得非常复杂。现在我们能观察到如此多的细节，开始理解它是如何工作的。” LDL-LDLR-legobody的1:2:1和2:2:2复合体的Cryo-EM重建 此外，研究人员还利用人工智能驱动的蛋白质预测软件模拟了apoB100与LDLR的结合方式。这一工具最近获得了2024年的诺贝尔化学奖，虽然其开发者并未直接参与这项研究，但该软件的帮助使得科学家们能够找到那些引起机体LDL水平升高的基因突变。他们发现，许多与LDL和LDLR连接位置有关的突变都与家族性高胆固醇血症（FH）的发生密切相关。这些突变使得患者体内的LDL吸收出现缺陷，导致LDL水平升高，并增加了早期患心脏病的风险。 通过精确了解LDLR如何以及在哪里与LDL结合，研究人员希望设计出能够靶向这些连接点的新药物，以降低血液中的LDL水平。这种方法不仅可以帮助那些携带FH相关突变的人群，也能为那些不携带突变但胆固醇水平较高的人提供更好的治疗选择，比如通过增加细胞中LDLR的数量来减少LDL。 综上所述，这项研究揭示了apoB100与LDLR相互作用背后的分子机制，为开发针对胆固醇代谢异常的新疗法开辟了道路。未来，科学家们或许能找到更多方法来阻止这两位“致命舞伴”的不当行为，保护更多人免受心血管疾病的威胁。 参考文献： Reimund, M., Dearborn, A.D., Graziano, G. et al. Structure of apolipoprotein B100 bound to the low-density lipoprotein receptor. Nature (2024). doi：10.1038/s41586-024-08223-0 本文仅用于学术分享，转载请注明出处。若有侵权，请联系微信：bioonSir 删除或修改！ 点击下方「阅读原文」，前往生物谷官网查询更多生物相关资讯~

——背景—— 心血管疾病是全球范围内造成死亡的主要疾病之一。低密度脂蛋白（LDL）含量的升高是导致心血管疾病发病最重要的因素。正常情况下，饮食摄入和肝脏合成的脂质会在肝脏中被载脂蛋白apoB100打包，形成分泌性的极低密度脂蛋白（VLDL）。富含甘油三酯的VLDL在外周组织中的脂解作用下，转换为富含胆固醇的LDL并保留一份apoB100。血液循环中的绝大多数LDL会与细胞表面的LDL受体（LDLR）结合然后被内吞进细胞。如果这一过程受到干扰，低密度脂蛋白中携带的胆固醇（LDL-C）就会在血浆中积累并沉积在血管壁上，导致动脉粥样硬化的发生。 由于LDL结构和组成成分的异质性，之前尚未有高分辨的结构被解析。近日，来自NIH的Joseph Marcotrigian和Alan T. Remaley课题组在nature发表了他们合作解析的结合低密度脂蛋白受体的载脂蛋白B100的结构[1]。他们发现：LDLR与apoB100的两个不同表面结合，从而导致LDL的二聚化；许多与家族性高胆固醇血症（Familial Hypercholesterolaemia, FH）相关的变异定位于apoB100-LDLR结合界面。这些结构研究不仅加深了对LDL细胞摄取机制的理解，还对心血管疾病的发病机制及其治疗具有重要意义。 ——主要结果—— LDLR介导了LDL的二聚化 如LDLR超家族中的其他成员，低密度脂蛋白受体是一种模块化的I型跨膜蛋白。其胞外区包含7个LDLR A型模块（LA1-LA7），3个表皮生长因子样模块（EGF-A/B/C），1个一个 β-螺旋桨域，1个O-糖基化区域和一段C 端跨膜螺旋。作者实验所用的LDLR胞外区通过重组表达及纯化获得，低密度脂蛋白通过密度梯度离心从新鲜人血浆中分离获得。作者通过BLI测定发现纯化的LDLR能够以高亲和力结合与LDL，其解离常数（Kd）为1.2~2.2 nM，并呈现快结合慢解离的模式（kon: 0.9~1.1 × 10⁶ M⁻¹ s⁻¹，koff: 1.3~2.1× 10⁻³ s⁻¹）。作者用质量光度法测定发现，LDLR在溶液中以单体形式存在。当LDLR加入LDL后，通过尺寸排阻色谱（SEC）能够观察到高阶复合物的出现。 ApoB100的结构异质性 由于LDL结构和组分的异质性，以及缺乏明显的表面特征，之前的研究者通过cryoEM仅获得了较低分辨率的结构（9埃左右）。在本研究中，为了对LDL颗粒进行对齐和分类，作者设计了一种约为120 kD的刚性且不对称的“乐高抗体（legobody）”。通过筛选已发表的结合LDL的纳米抗体（nanobody），作者筛到了能以高亲和力与LDL形成稳定复合物的纳米抗体Nb4，并通过结合实验确认了含有Nb4的乐高抗体对LDL的结合不会影响LDLR和LDL的结合。 通过尺寸排阻色谱获得LDL-LDLR-legobody复合物的峰尖样品后，作者进行了单颗粒冷冻电镜的数据收集。尽管micrograph中能够看到LDL二聚体，但最初仍将其作为单体进行颗粒挑选。通过迭代挑选和重建，作者得到了分别为单体和二聚体的两类LDL颗粒（图1a, b）。在二聚体颗粒的密度中，可以看到两颗LDL被两条密度桥（LDLR）连接，形成LDL-LDLR-legobody的2:2:2的复合物结构。每条桥的一端连接在 LDL 表面的一系列小密度，形成一个沿 LDL 表面的脊状结构（图 1a’ “ridge”）。桥的另一端为一个大球状结构，连接到 LDL 的一个突起特征上（图 1c,e） 图1. LDL-LDLR-legobody 复合物的冷冻电镜密度重建 ApoB100-LDLR-legobody的复合物结构 作者对1:2:1的颗粒进行进一步分类挑选，然后得到了分辨率为 5.41 Å 的 1:2:1 复合物密度图（图2b）。作者对legobody及其邻近的apoB100和LDLR部分进行局部精修，以及单独对nanobody周围区域进行精修，分别达到了4.18 Å和3.73 Å的分辨率（图2c, e）。在这样的分辨率下，可以清晰解析β折叠和有序的侧链密度，并进行模型构建。 图2. 结合LDLR和legobody的apoB100的密度重建与结构 与其他载脂蛋白类似，apoB100被预测包含大量两亲性α螺旋。然与它们不同的是，apoB100还包含两亲性β片层，这种β片层与表面脂质的结合比两亲性α螺旋更紧密，这可能解释了为什么apoB100无法像其他载脂蛋白一样被交换。作者将AlphaFold2预测的apoB100的二级结构和冷冻电镜数据进行比对，发现预测的二级结构与实验数据一致；但预测的三级结构与实验数据存在显著的差异。作者认为这可能是脂质的存在对apoB100结构的影响。通过将解析的apoB100的模型片段和之前报道的legobody和LDLR的结构拟合到冷冻电镜密度图中，作者得到了分辨率优于 6 Å 的密度图。对于apoB100中过于异质以至于无法解析的区域，其残基范围在示意图中以棕色和灰色数字标注（图3a）。 图3. apoB100, LDLR和legobody的示意图和共识模型 从解析的结构可以看出，apoB100 形成一个大型的两亲性筏状结构，包裹在 LDL 疏水核心脂质（胆固醇酯和甘油三酯）的表面。ApoB100 的 NTD在结构上与脂蛋白卵黄素和微粒体甘油三酯转运蛋白相似，由半β桶、α螺旋体、βA片层和βB片层亚结构域组成，是apoB100唯一具有显著三级结构的部分（图2a和图3）。在NTD之后，一个五段 （panel）β带形成包绕LDL直径的环。C端β折叠嵌入NTD的β 桶下方，将LDL表面划分为靠近二聚轴和远离二聚轴的两个半球（图3b）。每一段β带包含一个两亲性β片层，通过四个连接点和连在β片层两侧的两亲性α螺旋环共同组成完整的β带。两亲性α螺旋环分布在靠近或远离二聚轴的半球（图3），如α2和α3是这些环中最大的部分。作者还通过紫外交联和质谱分析验证了模型的正确性。 ApoB100 具有其他大型可溶性球状蛋白或膜型蛋白中未观察到的独特结构。得益于 βA 片层和 βB 片层的两亲性特性，apoB100的NTD 位于脂质核心的顶部，并通过七个二硫键维持其自身的疏水核心。蛋白C端的四分之三则形成了一个大型的不包含疏水核心的两亲性结构。 ApoB100与LDLR的结合位点 通过结构分析，LDLR与apoB100的两个结合位点（BS1和BS2）之间相距8纳米。BS1位点位于apoB100 的3050-3600位残基，由一系列序列上不连续的残基组成（图4a）。BS2位于apoB100的NTD的β桶上，被LDLR的β-螺旋桨结构占据（图4b）。作者通过化学交联实验验证了从模型中得到的结合位点的准确性，并且确定了两个位点分别由两个LDLR分子分别结合，不存在单个LDLR分子能够同时结合两个位点。 图4. apoB100和LDLR之间的相互作用 作者鉴定出LDLR的LA3–LA7 和 EGF-A结合在 apoB100 的 β 带上的一个广泛区域（BS1：残基 3050–3600）。这远超出了此前已知的两者的结合位点（位点B：残基3386-3396）。许多此前报道的与LDL-C水平升高相关的apoB100和LDLR的FH突变位于作者确定的结合界面。此前，人们对于位于 β 带中残基 3050到3600之间且位于位点B之外的FH突变（如残基 3059、3344、3394、3396、3527、3558 和 3590）的机制无法理解，现在发现这些突变残基正好位于作者确定的LDL-LDLR结合界面上（图4a，b）。作者还用从携带apoB100突变R3059C的FH患者中分离得到LDL进行细胞摄取实验，发现与未携带该突变的个体相比，患者来源的LDL在培养细胞中的摄取率降低了28%。而携带apoB100 突变K3394N和R3527Q的个体来源的LDL，其在细胞中的摄取率下降约50%。 LDLR介导的LDL的摄取 由于LDLR在LDL上的两个结合位点之间相距8纳米，根据空间位置约束，BS1和BS2必须由不同的LDLR分子占据。通过结构比对，作者认为，尽管VLDL中也含有apoB100，但其可能没有合适的构象与LDLR结合。与19-21纳米的LDL相比，单个直径达30-60纳米的VLDL（蓝色圆圈）的体积要大得多，这可能也会阻止两个脂蛋白被招募到一个二聚受体复合物中（图5a）。 之前有研究人员推测，在内吞和内体酸化之后，LDLR的质子化会引发电荷排斥并释放LDL，从而使LDLR能够循环回到细胞表面。将LDL结合状态下的LDLR中的LA7和EGF-A（紫色丝带）和低pH下的自我结合形式的晶体结构（灰色）进行叠加表明，LDLR在这一过程中可能经历两次旋转，将β螺旋桨和LA4–LA5上的两个apoB100结合表面（粉色）拉到一起（图5b）。一个潜在的旋转点（橙色圆圈）位于由EGF-B占据的密度桥处，旋转后，β螺旋桨上的LDL结合残基朝向相反方向移动。另一个潜在的旋转点（蓝色圆圈）位于LA6和LA7之间，围绕这一点的旋转使LA5移动9 nm进入自我结合构型。因此，两个结合表面均被遮挡，LDLR可以循环回到细胞表面。 图5.低pH下LDLR与LDL的解离模型 ——总结—— 在本研究中，作者通过单颗粒冷冻电镜和交联分析相结合，构建了apoB100与LDLR结合的高分辨率结构。研究得到的模型展示了apoB100上多个结合位点如何增强结合的亲和性；LDLR如何以二聚体形式结合LDL；以及LDLR如何在LDL结合构型与自结合构型之间循环。这些发现为解释apoB100或LDLR中已知的突变如何降低LDL与LDLR的结合并导致家族性高胆固醇血症（FH）表型提供了结构背景。这些机制性见解可能为未来开发基于结构的降低LDL-C水平的疗法提供可能，并为进一步研究开启了新的方向。 参考文献： [1] Reimund, M., Dearborn, A.D., Graziano, G. et al. Structure of apolipoprotein B100 bound to the low-density lipoprotein receptor. Nature (2024). https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1038/s41586-024-08223-0 作者：郭   政 审稿：王丽莹 往期链接 “小小疫苗”养成记 | 医药公司管线盘点  人人学懂免疫学 | 人人学懂免疫学（语音版）    综述文章解读 | 文献略读 | 医学科普 | 医药前沿笔记 PROTAC技术 | 抗体药物 | 抗体药物偶联-ADC 核酸疫苗 | CAR技术 | 化学生物学 温馨提示 医药速览公众号目前已经有近12个交流群（好学，有趣且奔波于医药圈人才聚集于此）。进群加作者微信（yiyaoxueshu666）或者扫描公众号二维码添加作者，备注“姓名/昵称-企业/高校-具体研究领域/专业”，此群仅为科研交流群，非诚勿扰。 简单操作即可星标⭐️医药速览，第一时间收到我们的推送 ①点击标题下方“医药速览”   ②至右上角“...”  ③点击“设为星标