FLVCR2

*仅供医学专业人士阅读参考 胆碱是重要的人体必需营养物质。 细胞膜的合成和神经信号的传递，都需要大量的胆碱。 大脑对胆碱的需求量非常大，而且无法有效地在体内从头合成，因此大脑所需的大部分胆碱都是从我们日常吃的食物中吸收。作为卵磷脂的重要组成部分，胆碱是如何被大脑吸收的这一问题，已经困扰了科学家半个多世纪。 前不久，由美国哥伦比亚大学Filippo Mancia和Rosemary J. Cater，以及加州大学旧金山分校Thomas Arnold领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》上发表了一篇重磅研究论文[1]，解开了这个困扰科学家长达50多年的学术问题。 研究人员首次发现，主要协同转运蛋白超家族转运蛋白FLVCR2，是血脑屏障中主要的胆碱转运蛋白，大脑吸收的大部分胆碱都是通过FLVCR2完成的。他们还借助冷冻电镜，探索了FLVCR2转运胆碱的过程。 这一转运蛋白的发现，意义不仅仅在于发现了大脑吸收胆碱的机制，它还意味着日后可以借助于这个吸收过程，开发更多可以进入大脑的药物。 ▲ 论文首页截图 近20年来，科学家一直在寻找胆碱的潜在转运蛋白，但是迄今为止，可以确定的胆碱转运蛋白只有两个，一个是几乎只在胆碱能神经元中表达的ChT（又称SLC5A7）[2]；另一种是近两年确定的FLVCR1，它在大多数细胞类型中都有表达，但在脑内皮细胞中表达量却不高[3-5]。 从名字上就可以看出，FLVCR1和FLVCR2可能是“一家人”，不过二者其实是近亲，同源性仅为55%。与FLVCR1不同，FLVCR2主要在血脑屏障的内皮细胞中表达。虽然有一些研究发现FLVCR2对脑血管生成和大脑正常发育至关重要，但是FLVCR2的真正生理功能仍不为人所知。 FLVCR1的胆碱转运蛋白身份在2023年被揭示之后[3,4]，近亲FLVCR2的功能也就呼之欲出了。Mancia团队很快就基于小鼠模型证实，FLVCR2确实只存在于所有脑血管节段（动脉、毛细血管和静脉）的内皮细胞中。 而且FLVCR2在脑内皮细胞质膜的两侧都有表达，其中管腔那一侧的细胞膜表达水平相对较高。他们在成人大脑中也发现了类似的分布。从表达部位上来看，FLVCR2确实处于将胆碱从血液吸收进大脑的理想位置。 ▲ FLVCR2的空间分布 接下来就是探索FLVCR2究竟能不能转运胆碱了。 Mancia团队开发了FLVCR2编码基因Flvcr2被条件性敲除的小鼠模型（Flvcr2-cKO），然后观察被放射性标记的胆碱在体内的吸收情况。结果很明显，在脑血管密度、形态和屏障功能完好无损的情况下，基因缺失小鼠大脑吸收胆碱显著减少。 基于体外细胞系的研究也证实了上述发现，所有的证据都表明，FLVCR2确实是血脑屏障中的胆碱转运蛋白，负责大脑对胆碱的吸收。此外，FLVCR2在碱性条件下（pH值7.5以上）比在酸性条件下（pH值7.5以下）更容易结合胆碱。 ▲ 血脑屏障中FLVCR2的示意图 在研究的最后，Mancia团队借助冷冻电镜，研究了FLVCR2转运胆碱时，二者之间的相互作用位点。 简单来说，作为主要协同转运蛋白超家族的一员，FLVCR2转运胆碱的过程与其他转运蛋白转运底物类似。当胆碱要穿过血脑屏障时，FLVCR2会打开内皮细胞血管腔一侧，闭合胞内一侧；随后胆碱进入腔内与特定位点相结合，引起FLVCR2构象变化——胞内一侧打开的同时，胞外一侧关闭，并完成胆碱的运输。 关于这一过程，在Mancia团队的论文见刊的3周之后，由德国马克斯·普朗克生物物理研究所Schara Safarian、Di Wu和Gerhard Hummer，以及新加坡国立大学Long N. Nguyen领衔的团队，在《自然》上发表的另一篇研究成果，更详细地揭示了FLVCR2转运胆碱的过程[6]。 ▲ FLVCR2转运胆碱的过程[6] 总的来说，Mancia团队这项研究首次确定了大脑吸收胆碱的关键转运蛋白，破解了困扰学界长达半个多世纪的谜题。这一发现也为靶向大脑药物的开发，提供了新思路。 此外，这个研究还提醒我们，要多吃富含胆碱的食物（如鸡蛋、蔬菜、肉类、坚果和豆类等），毕竟大脑非常需要胆碱，而且还为此准备了一套专门的吸收系统。 参考文献： [1].Cater RJ, Mukherjee D, Gil-Iturbe E, et al. Structural and molecular basis of choline uptake into the brain by FLVCR2. Nature. 2024;629(8012):704-709. doi:10.1038/s41586-024-07326-y [2].Okuda T, Haga T. High-affinity choline transporter. Neurochem Res. 2003;28(3-4):483-488. doi:10.1023/a:1022809003997 [3].Kenny TC, Khan A, Son Y, et al. Integrative genetic analysis identifies FLVCR1 as a plasma-membrane choline transporter in mammals. Cell Metab. 2023;35(6):1057-1071.e12. doi:10.1016/j.cmet.2023.04.003 [4].Tsuchiya M, Tachibana N, Nagao K, Tamura T, Hamachi I. Organelle-selective click labeling coupled with flow cytometry allows pooled CRISPR screening of genes involved in phosphatidylcholine metabolism. Cell Metab. 2023;35(6):1072-1083.e9. doi:10.1016/j.cmet.2023.02.014 [5].Son Y, Kenny TC, Khan A, Birsoy K, Hite RK. Structural basis of lipid head group entry to the Kennedy pathway by FLVCR1. Nature. 2024;629(8012):710-716. doi:10.1038/s41586-024-07374-4 [6].Ri K, Weng TH, Claveras Cabezudo A, et al. Molecular mechanism of choline and ethanolamine transport in humans. Nature. 2024;630(8016):501-508. doi:10.1038/s41586-024-07444-7 本文作者丨BioTalker

The team discovered that an essential nutrient called choline is transported into the brain, across the blood-brain barrier, by a protein transporter called FLVCR2. This is discovery will inform future design of drugs for diseases such as Alzheimer's and stroke, mimicking choline so they can be smuggled into the brain. A University of Queensland researcher has found molecular doorways that could be used to help deliver drugs into the brain to treat neurological disorders. Dr Rosemary Cater from UQ's Institute for Molecular Bioscience led a team which discovered that an essential nutrient called choline is transported into the brain by a protein called FLVCR2. "Choline is a vitamin-like nutrient that is essential for many important functions in the body, particularly for brain development," Dr Cater said. "We need to consume 400-500 mg of choline per day to support cell regeneration, gene expression regulation, and for sending signals between neurons." Dr Cater said that until now, little was known about how dietary choline travels past the layer of specialised cells that separates the blood from the brain. "This blood-brain barrier prevents molecules in the blood that are toxic to the brain from entering," she said. "The brain still needs to absorb nutrients from the blood, so the barrier contains specialised cellular machines -- called transporters -- that allow specific nutrients such as glucose, omega-3 fatty acids and choline to enter. "While this barrier is an important line of defence, it presents a challenge for designing drugs to treat neurological disorders." Dr Cater was able to show that choline sits in a cavity of FLVCR2 as it travels across the blood-brain barrier and is kept in place by a cage of protein residues. "We used high-powered cryo-electron microscopes to see exactly how choline binds to FLVCR2," she said. "This is critical information for understanding how to design drugs that mimic choline so that they can be transported by FLVCR2 to reach their site of action within the brain. "These findings will inform the future design of drugs for diseases such as Alzheimer's and stroke." The research also highlights the importance of eating choline-rich foods -- such as eggs, vegetables, meat, nuts and beans. The research is published in Nature and funded by the National Institutes of Health.

在一种前景广阔的称为CAR-T 细胞疗法的免疫疗法中，患者的 T 细胞经过基因改造后能更好地识别和攻击癌细胞表面上的抗原。这种疗法目前已被批准用于治疗淋巴瘤和白血病，但它也有缺点：在杀癌狂潮中，许多经 在一种前景广阔的称为CAR-T 细胞疗法的免疫疗法中，患者的 T 细胞经过基因改造后能更好地识别和攻击癌细胞表面上的抗原。这种疗法目前已被批准用于治疗淋巴瘤和白血病，但它也有缺点：在杀癌狂潮中，许多经过基因改造的 T 细胞被残留的癌症抗原污染，从而导致它们攻击其他 T 细胞。这最终会耗尽体内的抗癌细胞，为癌症复发打开大门。 然而，在一项新的研究中，来自美国耶鲁大学的研究人员发现了一种驯服这些杀伤性 T 细胞自我毁灭倾向的方法。他们说，只需将一种分子尾巴融合到用于治疗的这些工程化T细胞上，就可以抑制它们相互攻击的倾向。相关研究结果于2023年7月27日在线发表在Nature Immunology期刊上，论文标题为“CTLA-4 tail fusion enhances CAR-T antitumor immunity”。 论文通讯作者、耶鲁大学医学院遗传学副教授Sidi Chen说，“这就像一把剑完成了它的工作后，把它放回鞘中。” 在这项新的研究中，在论文共同第一作者Xiaoyu Zhou和Hanbing Cao的领导下，这些作者将CTLA-4细胞质尾巴（CTLA-4 cytoplasmic tail, CCT）融合到工程化CAR-T细胞中的嵌合抗原受体（CAR）的羧基末端上。CCT是天然存在的人类蛋白CTLA-4的一部分，众所周知，CTLA-4通过调节T细胞来控制免疫系统。他们观察到与没有CCT的CAR-T细胞相比，融合了CCT的CAR-T细胞更少出现功能衰竭，存活时间更长。 图片来自Nature Immunology, 2023, doi:10.1038/s41590-023-01571-5。 Zhou说，“在经过基因改造后携带CCT尾巴的CAR-T细胞在杀死癌细胞时反应性较低，但更持久。” Chen说，对现有公司来说，将CCT与CAR-T细胞融合相对容易，而且对这种治疗方法的改进可能有助于将治疗范围扩大到实体瘤。（生物谷 Bioon.com） 参考资料： Xiaoyu Zhou et al. CTLA-4 tail fusion enhances CAR-T antitumor immunity. Nature Immunology, 2023, doi:10.1038/s41590-023-01571-5.