2006年 ，美國科學家Andrew Fire和Craig Mello獲得了諾貝爾生理學或醫學獎 ，表彰他們的RNA干擾（RNA interference, RNAi）研究工作 ，同時也揭開了RNA干擾機制的嶄新篇章 。如今 ，RNA干擾技術越來越多地被用於調控人類基因的表達 。在動植物中存在一類長度約為22 nt的非編碼單鏈RNA分子microRNA（miRNA） ，它們能通過RNAi參與轉錄後基因的表達調控 。在線蟲系統性RNAi的研究中 ，發現跨膜蛋白SID-1（systemic RNA interference defective protein 1）在介導外源雙鏈RNA（double-stranded RNA, dsRNA）的吸收方面扮演着關鍵的角色 ，被認為是重要的核酸轉運通道 。在哺乳動物細胞中 ，存在與SID-1有相似核酸轉運功能的兩個同源跨膜蛋白 ，分別是SIDT1和SIDT2（SID1 transmembrane family member 1/2） 。SIDT2參與了細胞內DNA/RNA自噬過程 ，並將溶酶體內化的核酸轉運至細胞質 ，引發先天免疫反應 ，SIDT1更是直接介導食物性來源miRNA的吸收 。研究發現 ，胃部是吸收食物小RNA的主要部位 ，在哺乳動物的胃粘膜頂細胞（pit cell）上表達的SIDT1是吸收外源小RNA的關鍵蛋白質 。值得注意的是 ，這一過程在極低pH的胃酸環境下得到顯著促進 ，酸刺激極大程度地促進了miRNA的吸收 。這一顛覆性的發現為小RNA的「跨界調控」提供了進一步的證據 ，為基於小RNA的治療提供了新策略 ，也為基於RNA的藥物開發提供了潛在方向 。雖然越來越多的科研團隊相關的研究都支持哺乳動物SID-1跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2介導核酸轉運 ，但是SID-1跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2介導異源小RNA吸收的分子機制仍然不夠清楚 ，特別是關於低pH條件下促進小RNA吸收過程的機制仍然未知 。

　　2023年11月6日 ，云顶国际官网孫飛課題組與南京大學生命科學學院籍曉雲課題組和張辰宇課題組合作 ，在《Cell Research》雜誌上在線發表了題為「Cryo-EM structures of human SID-1 transmembrane family proteins and implications for their low-pH-dependent RNA transport activity」的研究論文 。該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術首次同時解析了人源SIDT1和SIDT2蛋白質的同源二聚體三維結構 。首次發現SIDT1和SIDT2可以以pH依賴的方式結合miRNA ，並誘發SIDT1和SIDT2的進一步寡聚化 。該研究從分子層面揭示了酸性環境促進小RNA吸收的分子機理 ，揭示了SIDT1和SIDT2介導核酸轉運的潛在分子機制 ，對深入理解SIDT1和SIDT2在酸性微環境中的功能調控以及RNA遞送系統的開發具有潛在意義 。

　　研究團隊首先攻克了膜蛋白樣品表達純化的困難和在冷凍樣品製備過程中存在嚴重取向優勢等難題 ，成功利用冷凍電鏡單顆粒技術獲得了人源SIDT1和SIDT2的三維結構 。SIDT1和SIDT2都含有一個胞外結構域（extracellular domain, ECD） 、一個由11次跨膜螺旋組成的跨膜結構域（transmembrane domain, TMD） ，以及一個柔性的胞內結構域（intracellular domain, ICD） 。通過結構分析 ，研究人員發現SIDT1和SIDT2的結構高度相似 ，這也提示它們可能具有相似的生物學功能 。同時研究人員還發現了進化保守的位點 ，如二硫鍵和糖基化位點 ，它們對SIDT1和SIDT2酸性條件下的穩定性和結構完整性起着至關重要的作用 。此外 ，研究人員檢測了SIDT1和SIDT2在體外和活細胞中的聚合狀態 ，結果表明這兩種蛋白質都以二聚體或寡聚體的形式存在 ，並且TMD對於維持二聚體至關重要 。這些發現為理解SIDT1和SIDT2在體內的功能提供了重要信息 。

圖1 SIDT1和SIDT2同源二聚體的冷凍電鏡結構

　　為了揭示SIDT1和SIDT2介導小RNA 轉運的分子機制 ，研究人員進一步探究了它們的ECD與小RNA的結合情況 。實驗結果顯示 ，SIDT1和SIDT2的 ECD能以pH依賴性方式有效地與小RNA結合 。在酸性條件下 ，ECD與小RNA的親和力增加 ，這種結合進一步引發了ECD的寡聚化 。這一發現推翻了前期報道的SIDT1^ECD和SIDT2^ECD只能結合較長的雙鏈RNA（>100 bp）的觀點 。同時 ，研究人員還發現ECD蛋白在酸性條件下與核酸的結合不受核酸種類 、單雙鏈的特異性影響 ，並且這種結合存在pH依賴性 。最後 ，通過分析型超速離心和凝膠過濾層析分析 ，研究團隊還發現在酸性條件下 ，SIDT1和SIDT2與核酸結合能夠誘導蛋白質的寡聚化 ，表明它們具有形成核酸孔道的潛力 。該項研究揭示了低pH環境在促進SIDT1和SIDT2吸收外源小RNA的關鍵作用 ，加強了在低pH條件下促進小RNA的跨膜吸收的分子機制理論基礎 。

　　綜上所述 ，該研究解析了哺乳動物細胞跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2的冷凍電鏡結構 ，並首次提出了SIDT1和SIDT2與RNA的pH依賴性結合和寡聚化的分子特徵 。因此 ，該項研究為SID-1跨膜家族蛋白在核酸轉運方面提供了分子基礎 ，同時也為「基因跨界調控」現象提供了直接的理論分子依據 。南京大學生命科學學院博士研究生鄭樂 、楊婷婷 ，南京大學生命科學學院博士後郭航天 ，云顶国际·唯一官方网站(中国)百科知道博士研究生岐晨 ，以及上海科技大學免疫化學研究所博士研究生盧宇馳為該論文的共同第一作者 。南京大學生命科學學院籍曉雲教授 、張辰宇教授 ，云顶国际·唯一官方网站(中国)百科知道孫飛研究員 、朱贇研究員 ，以及南京大學生命科學學院博士後郭航天為該論文的共同通訊作者 。該研究工作得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的資助 。部分樣品製備 、數據收集和分析等工作受到云顶国际官网蛋白質科學研究平台生物成像中心相關工作人員的大力支持和幫助 。

　　文章連結 ：http://www.nature.com/articles/s41422-023-00893-1

　　相關新聞稿連結 ：http://life.nju.edu.cn/cc/9e/c12937a642206/page.htm

（供稿 ：孫飛研究組）