曹禹/李琳/秦安团队揭示细胞pH稳态调节机制

细胞内部的pH环境对生化反应的速率和平衡有着直接影响。如果pH稳态失衡，会导致细胞内大分子的功能紊乱，进而引发细胞异常和疾病。可兴奋细胞，如视觉细胞、心肌细胞和神经元，是一类新陈代谢活动较为活跃的细胞。在这些细胞的工作过程中，产生的大量代谢物（如碳酸氢根）会扰动细胞内的pH稳态，容易引起细胞质碱化，影响正常生理功能。

为应对这种情况，可兴奋细胞表面会表达多种转运体和通道蛋白，用于维持pH稳态。这些蛋白通过调节膜两侧氢离子和酸根浓度来调整细胞内的pH。在这些蛋白中，3型阴离子交换体蛋白（AE3）发挥了重要作用。AE3由SLC4A3基因编码，属于SLC4家族，该家族包括三种阴离子交换体蛋白：AE1、AE2和AE3。AE1主要在红细胞中表达，通过释放碳酸氢根帮助红细胞输送二氧化碳；AE2在多种组织中表达，通过催化碳酸氢根与氯离子的交换来维持泌酸性细胞的pH稳态。然而，AE3在可兴奋细胞中的具体结构和作用机制一直未能解析。

SLC4A3基因的突变可能会导致AE3功能障碍，进而引发多种疾病。例如，SLC4A3突变与短QT综合征密切相关，突变体AE3在维持心肌细胞pH稳态方面的功能缺陷会导致心肌细胞内pH异常升高和氯离子水平降低，从而引发心脏疾病。此外，AE3的功能性突变还与癫痫相关，其活性降低导致的细胞内pH升高是造成神经元过度兴奋的原因。在动物模型中，AE3功能失常也被发现与视网膜病变等视觉疾病有关。

2024年7月20日，上海交通大学医学院附属第九人民医院曹禹团队与李琳团队及秦安团队在《Nature Communications》上发表了一篇题为《人类3型阴离子交换体蛋白功能调节的结构探索》的研究论文，首次解析了人类AE3的冷冻电镜结构。这一发现为理解AE家族在pH响应性和抑制剂敏感性差异提供了结构基础，并揭示了致病性突变导致AE3功能异常的原因。

研究发现，AE3在静息状态下处于外向开放构象，与AE2不同。pH升高并不会使AE3改变构象，这表明AE3对pH变化的响应度较低。研究还解析了AE3与抑制剂DIDS的复合物结构，发现AE3更易与抑制剂结合，结构上具有更高的稳定性。相比之下，AE2缺乏类似的正电荷侧链，使其与抑制剂结合不稳定。

此外，为了解AE3的全长结构，研究团队利用AE2的TMD构建了AE3 NTD与AE2 TMD的嵌合蛋白，成功解析了AE3的NTD结构。通过这些结构信息，研究人员还分析了多种致病突变的位置，揭示了相关疾病发生的分子病理。