近日，普林斯頓大學教授顏寧、清華大學助理教授閆創業（師從施一公，顏寧学弟）、西湖大學鄢仁鴻博士（師從顏寧）等人的最新研究利用AI工具助力固醇結構基礎的研究，相關結果已經在Cell子刊發表。
左起：顏寧、閆創業、鄢仁鴻（圖源網絡）
6月29日，普林斯頓大學教授顏寧和清華大學助f理教授閆創業以及西湖大學鄢仁鴻博士等人共同在Cell Reports上發表文章“Structural basis for sterol sensing by Scap and Insig”（Scap和Insig檢測固醇的結構基礎），進一步揭示了膽固醇代謝的關鍵調控機理。
今年1月，顏寧與閆創業研究組、鄢仁鴻博士等就在Science雜誌線上發表了研究長文“A structure of human Scap bound to Insig-2 suggests how their interaction is regulated by sterols”（固醇調控人源Scap和Insig-2相互作用的結構機理），揭示了膽固醇代謝調控通路中長久以來的關鍵問題：細胞如何通過有效感知自身的膽固醇水准來啟動或者抑制膽固醇的合成與吸收，以維持細胞內的膽固醇穩態。
再解“初戀課題”
顏寧教授現時是普林斯頓大學分子生物學系Shirley M. Tilghman終身講席教授。
SREBP通路課題被顏寧教授戲稱為自己的“初戀課題”。
顏寧圖源：網絡
2001年，她加入施一公教授在普林斯頓大學分子生物學系的實驗室讀博的第一個課題便是針對SREBP通路的結構生物學與生物化學研究；
2005年，她做博士後的第一個課題便是SREBP通路中的膜蛋白們；
在清華獨立領導實驗室之後的第一個科技部973項目也是針對SREBP通路的結構生物學研究。
本次的新研究將會加深對膽固醇調控的認識，有助於針對性地開發降血脂藥物，改善心腦血管疾病。
時隔半年再次發文，延續1月份研究
而最新的研究報告主要集中在以下幾點：
1、人源Scap/Insig-2複合物在洋地黃皂苷（digitonin）存在下的冷凍電鏡結構
2、Scap的管腔L1和L7結構域在複合物中相互作用
3、Scap（D428A）在與Insig-2複合物中表現出與WT相同的構象
4、Scap（D428A）即使在沒有Insig結合的情况下也能抑制SREBP的啟動
SREBP通路中的兩個關鍵蛋白：Scap和Insig
心血管疾病是全球的頭號死因：每年死於心血管疾病的人數多於任何其它死因。
根據2016年的數據，大約有1790萬人死於心血管疾病，占全球死亡總數的31%。其中，85%死於心臟病和中風。
據統計，在中國，每年死亡總人數中約有40%是由於心腦血管疾病導致的，而心腦血管疾病的發生與膽固醇代謝异常密切相關。
膽固醇是一種脂質小分子，是哺乳動物細胞膜的重要組成成分，主要調控細胞膜的流動性，也是膽酸、維他命D以及一些荷爾蒙合成的前體分子，同時還作為訊號分子參與細胞內多個重要訊號轉導過程。
當人體內膽固醇代謝异常，過量的膽固醇積累在血管中會促進動脈粥樣硬化的發生和發展，最終可能引發冠心病、中風等心腦血管疾病。
上世紀90年代，美國西南醫學中心的兩位諾貝爾生理與醫學獎得主Joseph Goldstein和Michael Brown領導的研究組通過一系列生化和細胞實驗發現了膽固醇代謝的負反饋調控機制，即SREBP（Sterol Regulatory Element-Binding Protein）訊號通路，來調控細胞水准的膽固醇攝取和合成，從而維持細胞內膽固醇含量的穩態。
1985年諾貝爾生理與醫學獎得主Joseph Goldstein（左）和Michael Brown（右）
Scap和Insig-1/2是這一途徑的關鍵參與者，它們是嵌入膜中的固醇感測器。Scap和Insigs的25-羥基膽固醇（25HC）依賴性結合充當SREBP途徑的覈心開關。
儘管對與25HC結合的Scap和Insig-2複合物進行了結構測定，但Scap的管腔結構域仍未得到解决。
在這項研究中，結合cryo-EM分析和「人工智慧」促進的結構預測，研究人員報告了在洋地黃皂苷（digitonin）中純化的人源Scap/Insig-2複合物的結構。
Scap的腔內結構域Loop1和Loop7的共折段與NPC1和相關蛋白的腔內/外結構域相似，為Loop1和Loop7的膽固醇調控作用提供了線索。
人源Scap和Insig-2複合物在洋地黃皂苷微膠粒中的整體結構
在Scap和Insig之間觀察到一個額外的腔內介面。研究還表明，Scap（D428A）即使在固醇耗盡的情况下也能抑制SREBP的啟動，當它與Insig-2複合物時表現出與野生型蛋白相同的構象，它對SREBP通路的構成性抑制也可能涉及蛋白質運輸中的一個後期步驟。
而這也是本研究的一個意外發現，這種被稱為“洋地黃皂苷（digitonin）”的去垢劑將蛋白質從細胞膜上抽提出來，卻“首次”發現這種物質在結構上可以特异性地替代25HC，促進Scap和Insig之間的相互作用。
這或將為膽固醇調節新藥研發提供一個潜在靶點。
AI工具“tFold”預測Scap蛋白胞外區結構
在本研究中，研究人員通過去垢劑篩選的方法進一步優化了Scap和Insig的複合物樣品，能够獲得Scap的loop1和loop7的中低分辯率密度圖，但並不足以搭建它的原子模型。
如何用相對較低分辯率的影像做好結構解析？
研究人員用了騰訊開發的AI工具「tFold」來對Scap蛋白在胞外區的結構進行預測，同時結合較低分辯率的電子密度圖進行最終的結構模型搭建。
對於AI科技的應用，研究團隊的鄢仁鴻告訴《中國科學報》：&ldquo；這項科技的優勢是通過人工智慧基於蛋白質胺基酸序列特徵，能够較好預測出一個類似的結構模型，從而加快我們對蛋白質結構的理解。&rdquo；
騰訊AI Lab於2020年初在CAMEO（全球唯一的蛋白質結構預測自動評估平臺）注册了自動化蛋白結構預測服務器tFold server，並自2020年6月起連續半年一直保持周度冠軍。
tFold server在一般案例上領先業內權威方法6%以上，在困難案例上則領先12%以上。
圖源：https://ai.tencent.com/ailab/zh/news/detial/？id=71
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109299
原文刊載於【中國生物技術網】公眾號