近日，南方科技大学生命科学学院助理教授刘忠民课题组在学术期刊Nature Communications上在线发表了题为“Conformational cycle of human polyamine transporter ATP13A2”的研究论文。该研究解析了人源ATP13A2蛋白几乎完整的底物转运过程（图1），揭示了一种全新的多胺转运通路和释放机制。
多胺（Polyamine）是生物体中的一种带正电的烷基胺类小分子，普遍的存在于动植物细胞中，它广泛参与生物体内的生理和病理过程。多胺含量的失衡会影响细胞的正常发育。因此，多胺稳态是细胞、机体正常生理功能的必要条件。溶酶体是多胺转运系统的重要组成部分，在平衡细胞质和溶酶体间的多胺平衡起着至关重要的作用。研究发现，定位在溶酶体的转运蛋白ATP13A2可将多胺从溶酶体运输到细胞质，以维持细胞内外的多胺稳定。人源ATP13A2 (hATP13A2)的属于P5B-ATPase 家族成员，对底物的转运遵循一个典型的Post-Alberts循环过程，该蛋白的突变可能会引发与Kufor-Rakeb综合征（KRS，一种青少年型帕金森综合征）和常染色体隐性痉挛性截瘫78（SPG78）疾病的发生。因此，解析hATP13A2底物转运的高分辨率结构对于理解多胺转运机制以及疾病的发生至关重要。
图1 hATP13A2底物沿着Post-Alberts循环的六个中间态的原子模型
本项研究通过外源重组表达高质量的hATP13A2蛋白，利用冷冻单颗粒技术成功解析了hATP13A2在多胺转运过程的6个中间状态，提供了Post-Alberts循环几乎完整的构象态，确定了两个不同的底物结合位点和一个释放位点（图1）。结合分子动力学模拟（MD）与生化试验我们发现与其他P型ATP酶不同的是，hATP13A2通过一种独特的机制运输底物，该机制具有向内开放的腔作为底物缓冲罐，多胺遵循浓度梯度并以最小的能量成本扩散到胞质侧，胞质侧的磷脂也促进了底物的释放（图2）。
图2 hATP13A2转运多胺的模型
南方科技大学生命科学学院博士研究生穆建强、薛晨阳，和浙江大学生命科学学院博士后付蕾为本论文共同第一作者，南方科技大学生命科学学院的刘忠民和浙江大学生命科学学院的王勇为本文共同通讯作者。南科大为论文第一单位。冷冻电镜数据收集和处理得到了南科大冷冻电镜中心和水木未来的支持。质谱相关的实验分析得到了南科大生科院黄安诚副教授、中山大学药学院院李慧琳教授以及中国科学院上海高等研究院国家蛋白质科学中心质谱系统（NFPS）的支持。该工作得到了国家自然科学基金、深圳市科创委的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-37741-0
