在我们体内，每个细胞都有一个叫做溶酶体的"垃圾处理站"，它不仅负责降解和回收细胞内的废物，还储存着许多重要的物质。其中就包括一类叫做多胺的特殊分子，它们就像细胞内的"万金油"，既能保护DNA不受损伤，又能清除有害的自由基，还能调控基因的表达。随着年龄增长，我们体内合成多胺的能力会逐渐下降，这时就特别依赖从外界摄取的多胺。然而，这些多胺被运输到细胞内后，是如何从溶酶体中释放出来的呢？
科学家们发现，在溶酶体膜上有一个名为ATP13A2的蛋白质，它就像一个"搬运工"，负责将多胺从溶酶体运送到细胞质中。更有趣的是，这个蛋白质的功能异常与帕金森病等神经退行性疾病密切相关。然而，ATP13A2究竟是如何识别并转运多胺的，它的工作机制又是什么，这些问题一直困扰着科学界。
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来自日本东京大学等研究团队在 Molecular Cell 期刊发表了一篇题为《冷冻电镜揭示人源ATP13A2蛋白介导多胺外排的脂质调控机制》的研究论文。这项研究通过冷冻电镜技术首次解析了人源ATP13A2蛋白的结构，阐明了其介导溶酶体膜多胺转运的分子机制，为理解帕金森病等神经退行性疾病提供了新见解。
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研究团队采用冷冻电镜单颗粒分析技术，在四种不同条件下（AMPPCP、AlF4--ADP、BeF3-和AlF4-）解析了人源ATP13A2的结构，分辨率达到3.54-3.92Å。同时结合分子动力学模拟和生化实验验证了关键氨基酸的功能。
通过冷冻电镜分析，研究者首次解析了人源ATP13A2在四种不同条件下的结构，分辨率达到3.54-3.92Å。结果显示ATP13A2具有典型的P型ATP酶结构特征：包含三个主要的胞质结构域（A、N和P）和10个跨膜螺旋（M1-M10）。与其他P型ATP酶不同的是，ATP13A2还具有独特的N端结构域（NTD）和C端结构域（CTD）。其中CTD形成一个短的α螺旋，用于稳定P结构域，而NTD则从A结构域延伸并锚定在脂质膜上。功能验证实验表明，NTD的缺失会严重影响EP（磷酸化酶）的形成，而CTD的缺失仅导致EP形成的轻微影响。在BeF3-和AlF4-稳定的E2P(SPM)和E2Pi(SPM)状态下，研究者观察到在M1-M2和M4-M5片段之间形成了一个长通道。这个通道呈现出显著的负电性，主要通过以下两类氨基酸残基识别多胺：带负电荷的氨基酸残基（Asp254、Asp463、Asp960和Asp967）和芳香族氨基酸残基（Trp251、Tyr256、Tyr940和Phe963）。突变体研究进一步验证了这些残基的重要性，几乎所有突变体都显示出降低的精胺依赖性ATP酶活性，同时保留了形成EP的能力。通过比较E2P(SPM)和E1P-ADP状态的结构，研究者揭示了E1态到E2态转换过程中的构象变化：N结构域发生大幅位移，P结构域相对膜平面发生倾斜，A结构域向胞质侧上移并发生旋转。这些胞质结构域的重排引起了跨膜区域的广泛重构，特别是M5和M4b片段胞质部分的轻微倾斜，以及M1-M2片段的大幅上移和旋转运动。这些变化直接导致了内腔门的打开，形成了多胺进入的通道。研究发现NTD含有几个带正电荷的氨基酸簇，可能构成磷脂酸（PA）和PIP2结合位点。实验证实在没有这些特定脂质时，磷酸化的ATP13A2倾向于保持E1P构象；添加PA和PIP2后，反应循环向E2P构象推进。这表明特定脂质的结合可能通过稳定NTD与脂质膜的相互作用来影响E1P到E2P的转换。这一发现得到了结构数据的支持：NTD仅在E2P构象（BeF3-和AlF4-状态）中可见，而在E1构象（AMPPCP和AlF4-ADP状态）中几乎完全无序。研究团队对ATP13A2的ATP酶活性进行了系统的动力学分析。通过微粒体实验，在37℃条件下测定了ATP水解速率。动力学分析结果显示，野生型酶的最大活性（Vmax）为20.0±3.7 nmol mg-1 min-1，K1和K2值分别为1.7±0.5和4.5±0.1 mM，Hill系数n1、n2分别为1.2±0.2和5.9±0.5。这些数据符合复杂的Hill方程：v = Vmax[(1/(1+(K1/[SPM])n1)) × (1-1/(1+(K2/[SPM])n2))]。有趣的是，在高浓度精胺存在时观察到了意外的抑制现象，这一现象此前未被报道。研究者推测，ATP13A2的转运和/或ATP酶活性可能受到多个因素的影响，如与NTD结合的特定脂质。这也暗示可能存在未被发现的调节因子混杂在微粒体样品中。为了测定稳态下没有底物时的EP形成量，研究者使用[γ-32P]ATP对微粒体中的ATP13A2进行磷酸化。通过酸性SDS-PAGE（pH 6.0）分离蛋白质，并通过数字放射自显影定量与ATP13A2相关的放射性。结果显示，空载转染细胞的微粒体背景放射性不超过表达野生型ATP13A2的微粒体总放射性的9%，证实了实验数据的可靠性。这些详细的酶动力学参数不仅揭示了ATP13A2的催化特性，也为理解其复杂的调控机制提供了重要依据。同时，这些发现也提示ATP13A2在细胞环境中的调控可能比预期更为复杂，需要进一步研究。研究首次揭示了ATP13A2介导多胺转运的分子机制，发现其具有独特的底物识别方式和构象变化过程。特别是NTD结构域在E2P状态下的稳定作用，为理解ATP13A2功能调控提供了新的视角。这些发现不仅阐明了P5B-ATP酶的工作机制，也为开发神经保护治疗策略提供了理论基础。https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(21)00949-7
