2025年2月19日，
生命科学学院李龙课题组、高宁课题组与北京大学前沿交叉学科研究院定量生物学中心宋晨课题组
合作，在
Cell
期刊上发表了题为
“SecY translocon chaperones protein folding during membrane protein insertion”
的研究论文。该论文捕获了膜蛋白转位过程中的一系列中间状态，揭示Sec转位复合物在膜蛋白转运过程中不仅提供蛋白质穿膜的通道，更扮演“分子伴侣”的重要角色。
研究结果第一次在分子水平揭示了膜蛋白转位与折叠的关系，提出“共转位折叠”的概念，为理解膜蛋白的生物合成提供了新的研究方向
。
北京大学生命科学学院
李龙研究员，高宁教授
以及前沿交叉学科研究院定量生物学中心
宋晨研究员
为该
论文通讯作者
，2022级生科院
博士生欧晓敏
，高宁实验室前博士后
马成英博士
，李龙实验室
前技术员孙东杰
，李龙实验室前博士后
许金坤
和宋晨实验室前博士后
王洋
为
共同第一作者
。
为了捕获膜蛋白转位的中间状态，李龙课题组在细胞内建立了蛋白转位复合物的组装体系，筛选合适的跨膜螺旋片段作为底物，利用绿色荧光蛋白（GFP）阻滞蛋白转位过程，同时通过引入二硫键交联、纳米抗体、以及纳米脂盘等技术稳定膜蛋白转位的中间态。与高宁课题组合作，利用冷冻电子显微镜技术，首次获得了跨膜蛋白转运中间态的高分辨率结构。结果显示，底物的第一个跨膜片段位于SecY通道外，以螺旋的形式插入脂质中，从外部打开SecY通道的侧门。第二个跨膜片段位于通道中，前半段呈现去折叠的展开状态；后半段在通道中以螺旋形式存在，代表在转位后期的折叠状态。宋晨课题组在此基础上系统性地利用分子动力学模拟，进一步证明了SecY通道前半段（细胞质腔）和后半段（细胞外腔）的结构分别为促进跨膜片段的展开和折叠创造了两种截然不同的物理化学环境，为SecY的“分子伴侣”功能提供了直接物质基础。更有趣的是，在两腔之间的孔环区域，底物肽段呈现伸展的螺旋状和锯齿状构象，这种展开的构象可帮助多肽底物通过狭窄的中心孔环。上述结果揭示了SecY在转位过程中对膜蛋白底物实施的“去折叠助运动”，以及“促折叠助释放”的精巧策略。
研究进一步以细菌视紫红质HmBRI为跨膜底物，捕获该膜蛋白在顺序转位过程中，第三个及第七个跨膜片段进入细胞膜的转位中间体。结果发现在SecY转位通道外侧与脂膜的交界面上存在一个 “亲水凹槽”，由数个高度保守的亲水氨基酸组成。由于该亲水凹槽深入疏水的脂膜，造成局部磷脂双分子层的变薄和破坏，为那些已经从通道释放，但是还未折叠的底物跨膜区段创造稳定环境。全新设计的蛋白转位双荧光报告实验和蛋白质组学分析表明，破坏该亲水凹槽导致膜蛋白在细胞水平出现全局性折叠缺陷，进一步证实SecY通道在膜蛋白折叠过程中的重要性。
图1. Sec复合物促进膜蛋白的跨膜及正确折叠
图左部为细胞内SecY介导的膜蛋白转位示意图；上部为放大的膜蛋白转位中间态示意图；下图为膜蛋白转位过程中SecY及膜蛋白底物局部细节图，红色虚线圈注SecY作为“分子伴侣”帮助膜蛋白底物入膜折叠的关键位点。
综上所述，这一系列实验结果揭示了Sec转运复合物前所未知的精妙组织方式，改写了对Sec功能的传统认知，提出Sec不仅仅只是被动的“蛋白通道”，更发挥不可或缺的“分子伴侣”功能，利用多种分子机理帮助膜蛋白入膜折叠。本研究为理解膜蛋白的转运机制提供了全新视角，并为研究膜蛋白折叠失衡相关的疾病提供了新的思路。
2022级生科院博士生吴晓飞，宋晨实验室前博士生王大力和杨嵩为该研究工作做出了重要贡献。北京大学生命科学学院昌增益教授对光交联实验提供了大力帮助。哈佛医学院Tom Rapoport教授对论文写作提供了重要指导。北京大学国家蛋白质科学中心张琪博士、刘栋博士，北京大学医学部刘小云研究员在质谱数据收集和分析方面提供了大力帮助。整个研究过程也得到了很多国内同行的热心指导和支持。该研究工作得到北京大学冷冻电镜平台、高性能计算中心、生科院仪器中心、国家凤凰蛋白质平台以及北极星等超算平台的支持。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国博士后科学基金的资助。
李龙：
北京大学生命科学学院、北京大学-清华大学生命科学联合中心，研究员、博士生导师。
实验室研究领域：
本实验室主要研究生物大分子（例如蛋白和脂分）的跨膜的运输机制。细胞和细胞器与外界的交流和调控均需要通过细胞膜，因此生物大分子的跨膜运输是细胞进行各项正常生理活动的关键步骤。跨膜运输是一个动态，有序，并且受到严格调控的过程。在分子水平上，蛋白与磷脂分子的特异性相互作用控制着跨膜运输。一系列膜蛋白行使转运酶和转运通道的功能，保持跨膜转运的动态平衡。大量的临床数据显示，很多疾病是由转运蛋白的突变引起的。因此，对跨膜转运的分子机理研究将为相关疾病的治疗提供关键的药物靶点。我们实验室从一系列转运通道和转运酶入手，利用生物化学和结构生物学的方法，力图揭示其分子转运的循环和调控过程。
此外，实验室还致力于发展和应用纳米抗体技术。纳米抗体是一类单链单结构域抗体，主要存在于骆驼科的动物体内。与传统的抗体比较，纳米抗体有结构简单，非常稳定，易于表达与突变等优点。我们利用纳米抗体高度特异性结合的特点来稳定蛋白复合物的中间状态，从而帮助生化和结构生物学的研究。我们将建立表面展示平台，筛选和优化在生物技术和药物开发上有广泛应用的纳米抗体。
高宁：
北京大学生命科学学院教授，北京大学-清华大学生命科学联合中心研究员，博士生导师。
实验室研究领域：
高宁实验室主要致力于阐明细胞内大型蛋白-核酸复合物形成的分子机器的精细结构及工作分子机制，近年来的科研工作着重于核糖体的生物生成（ribosome biogenesis）、蛋白质生物合成的调控、DNA复制起始调控等重要基础生物学过程。实验室主要采用冷冻电镜三维重构的方法分析大型复合物的高分辨结构，辅助遗传学、细胞生物学、生化分子生物学手段回答大分子机器在功能执行过程中的机制性问题。
