Nature子刊：上海交通大学夏强院士/薛婧团队揭示OSTα/β转运蛋白底物识别与抑制的结构基础

胆汁酸的肠肝循环和类固醇激素的稳态维持离不开OSTα/β这个关键的转运蛋白复合体，其功能异常与多种肝胆疾病和代谢紊乱密切相关。2026年6月22日，上海交通大学医学院附属仁济医院薛婧研究员、夏强院士、陈洪文研究员、兰鹏飞研究员团队在《Nature Structural & Molecular Biology》期刊发表了题为“Structural insights into OSTα/β-mediated transport of bile acids and steroid conjugates”的研究论文。该工作利用冷冻电镜技术解析了人源OSTα/β在五种不同状态下的高分辨率结构，阐明了该复合体组装为独特异源四聚体的分子基础，并揭示了底物识别、棕榈酰化修饰调控及药物抑制的机制。

研究团队拿到的高分辨率结构显示，OSTα/β并不是以单个异源二聚体的形式发挥功能。两个OSTα亚基通过其N端的四螺旋束发生紧密的同源二聚化，而两个OSTβ亚基则像两个独立的小单元分别贴合在两个OSTα的外侧，最终组装成一个α:α:β:β的对称四聚体。这种四聚体组装离不开脂质分子的参与和维系。细胞膜内侧的磷脂分子填充在两个OSTα之间的缝隙里，它们的极性头基与蛋白质表面的精氨酸和赖氨酸形成氢键网络，两条脂肪酸尾巴则深深插入疏水腔内。细胞膜外侧的胆固醇分子像楔子一样嵌在TM1、TM3、TM4和TM5的交接处，进一步把同源二聚体界面加固。研究团队通过一系列突变实验证实了这种组装模式的重要性，不管是破坏同源二聚体界面的疏水相互作用，还是干扰磷脂或胆固醇的结合，都会导致TCA的转运活性大幅下降，并且这些突变体无法正常到达细胞膜。

在底物如何被OSTα/β识别这个问题上，研究团队获得了非常清晰的结构答案。底物TLCA和DHEAS都结合在OSTα亚基的TM5和TM6螺旋围成的一个表面沟槽里面。沟槽内部的疏水残基负责识别底物的类固醇骨架，而靠近细胞内侧开口处的两个精氨酸残基则通过静电相互作用拉住底物的牛磺酸基团或硫酸基团。这个沟槽的表面是暴露的，底物结合上去之后很容易脱落，OSTα/β用了一个很独特的办法来解决这个问题。连接TM3和TM4的第二个胞内环IL2上密集分布了七个半胱氨酸，其中多个位点发生了棕榈酰化修饰，共价连接的棕榈酰链从细胞膜内侧插入脂质双分子层，像一道屏障一样覆盖在沟槽外围，把原本暴露的凹槽变成了一个封闭的隧道。研究团队把IL2上的半胱氨酸簇突变成丝氨酸之后，转运活性出现了非常明显的下降，并且这种活性下降跟蛋白是否到达细胞膜没有关系，说明棕榈酰化修饰在这里直接参与了底物的转运过程。

研究团队还解析了OSTα/β与两种已知抑制剂的复合物结构，从分子层面解释了它们的作用方式。大环内酯类抗生素Fidaxomicin的分子体积很大，它整个嵌进了TM5-TM6的沟槽里，不仅占住了底物的结合位点，还把整条转运通道都给塞满了，依靠纯粹的体积排斥效应阻断底物通行。Ethinylestradiol作为类固醇衍生物，它的抑制模式跟Fidaxomicin完全不同，两个Ethinylestradiol分子同时结合在沟槽的不同位置，一个占据底物结合位点，另一个插到靠近细胞外侧的深部口袋，通过这种多位点占用的方式把转运路径堵死。研究团队进一步做了分子动力学模拟来检验棕榈酰化修饰的功能。在保留棕榈酰链的体系中，底物DHEAS能够稳定地停留在沟槽内部，而在去掉棕榈酰链的体系中，底物很快就从沟槽里跑了出来。加速模拟还显示底物可以沿着沟槽从细胞内侧向细胞外侧移动，过程中底物会发生翻转，极性的硫酸头基始终与蛋白质表面保持接触，疏水的类固醇骨架则面向脂质双分子层。基于这些结构、功能和模拟数据，该团队提出了OSTα/β的蛋白-脂质隧道转运模型，这个模型跟脂质翻转酶的工作方式有不少相似之处。

演化分析的结果表明这种转运机制具有古老的演化起源。OSTα的TM5-TM6沟槽疏水残基以及富含半胱氨酸的IL2环从线虫到人类都高度保守。更值得注意的是，OSTα的折叠方式与TMEM184蛋白家族存在显著的结构同源性，而TMEM184的同源物在锥虫等早期分支的真核生物中就已经出现。这意味着这种依赖棕榈酰化修饰来辅助底物转运的策略很可能是一个古老且广泛保守的机制，其起源时间远远早于脊椎动物胆汁酸循环系统的出现。

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