2024年1月26日，北京大学JDB电子官方网站系统生物医学研究所尹玉新课题组在《NatureCommunications》在线发表题为“Structural and functional insights into the lipid regulation of human anion exchanger 2”的研究论文，报导了阴离子交换蛋白（AnionExchanger）AE2的跨膜区与PIP2的复合体结构以及PIP2结合位点突变AE2的全长高分辨冷冻电镜结构，并揭示了细胞膜上脂质分子PIP2对AE2活性调控的机制。

细胞内pH受严格调控以维持在膜兴奋性、细胞骨架动力学和囊泡运输中起关键作用的蛋白质的结构和功能。除氢离子转运体外，SLC4和SLC26两个家族是仅有的转运碱性离子HCO3-的转运体家族。SLC4家族共有10个成员，根据钠离子依赖性和转运电化学特征可分为三类，其中AE1-3（SLC4A1-3）是不依赖Na+的阴离子（Cl–/HCO3–）交换转运体，而AE2组织分布最为广泛，参与骨重吸收、胃酸分泌2和胆碱分泌3等生理活动，AE2敲除小鼠模型出现骨硬化症、无牙齿萌出、胃酸缺乏、雄性不育、胆管损伤等多种表型。AE2的功能异常也会导致人的骨硬化和原发性胆管炎的发生。AE2活性受环境pH、NH4+和渗透压等因素调节，其跨膜结构域（TMD）和胞内N端结构域（NTD）分别参与感受不同因素的调控。

细胞膜蛋白处于被脂质包围的环境，其活性受脂质调节的机制一直是研究热点，离子通道的相关研究远比转运蛋白的丰富。以往对SLC4家族的研究发现，PIP2能增强它NBCe1（SLC4A4）的功能。然而，2018年和2021年报导的SLC4家族成员NBCe1（SLC4A4）和NDCBE（SLC4A8）的冷冻电镜结构并未观察到PIP2的结合。2023年报导的AE1复合体的结构发现PIP2与AE1（SLC4A1）同源二聚体结合，但未进一步研究PIP2对其功能的影响。尹玉新课题组2023年近期报导的SLC4家族成员BTR1（SLC4A11）的PIP2­复合体结构显示PIP2结合位点突变的BTR1构象与酸性环境中BTR1构象相似，提示了PIP2和pH对转运体调控的相关性。而AE2作为不依赖Na+的阴离子（Cl–/HCO3–）交换转运体，其感受pH调控的机制以及PIP2是否参与调控AE2活性的调节尚不清楚。

研究人员通过解析AE2结构发现了结合在跨膜结构域二聚体相互作用界面的PIP2分子。此状态AE2无明显的N端胞内结构域密度，跨膜结构域处于inward-facing状态。PIP2结合位点主要由TM7以及TM12和TM13之间的HL螺旋上氨基酸组成，与之前报导的AE1复合体结构中PIP2位置一致。研究人员在AE2的PIP2结合位点引入突变并对其活性进行检测，结果显示TM7上的R932和HL上的K1147以及H1148突变导致AE2转运活性显著减弱。药物处理降低细胞膜上PIP2的水平同样导致AE2的转运活性显著减弱，表明PIP2对转运体活性起激活作用。

随后，通过解析PIP2结合位点突变的AE2（R932A/K1147A/H1148A），研究人员发现此状态AE2的N端胞内区结构域和跨膜结构域存在明显的相互作用，构象与酸性环境中抑制状态的AE2结构相似。PIP2缺失引起TM7胞内侧部分发生明显位移，TM10和TM11之间的β折叠与N端结构域相互作用，协同将跨膜区构象稳定在inward-facing状态。

综上所述，研究者们通过解析不同状态的AE2冷冻电镜结构，发现了AE2的激活因子PIP2，并且从原子水平观察到了PIP2如何调控AE2跨膜区和胞内区的构象变化，为进一步研究AE2的调控机制提供了结构基础。

北京大学JDB电子官方网站系统生物医学研究所/北大-清华生命科学联合中心尹玉新教授为论文通讯作者。北京大学JDB电子官方网站博士研究生张炜奇及北京大学JDB电子官方网站博士后丁典、吕祎硕为该研究论文的共同第一作者。该研究的冷冻电镜样品制备、筛选和采集在北京大学冷冻电镜平台和北京大学电镜室完成，数据处理获得了北京大学CLS计算平台及未名超算平台的硬件和技术支持，蛋白活性检测在天然药物及仿生药物国家重点实验室成像平台完成。该课题得到国家重点研发计划，国家自然科学基金重点项目以及林松年系统生物医学基金会的支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-44966-0

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