Hedgehog (Hh)是调控多细胞动物机体形态发生的重要信号通路之一。Patched (Ptc1) 蛋白是该信号通路的受体及重要调控蛋白。Ptc1是具有12次跨膜螺旋结构的固醇转运蛋白。在没有配体蛋白Hh存在时，它通过降低细胞膜内小叶的固醇类分子含量来抑制Hh信号通路活性及下游基因的表达。而结合配体Hh后，其转运类固醇分子的功能被抑制，进而激活Hh信号通路，并通过一系列信号转导激活下游基因的表达。因此，Ptc1作为Hh信号通路目前发现的受体，是Hh信号通路的负调控因子。其功能失常可导致机体发育异常及基底细胞癌等恶性肿瘤的发生。

Ptc1主要存在于质膜的初级纤毛上，在接受Hh信号后，会在初级纤毛中向纤毛基底部位移动，并富集于质膜微囊中。质膜微囊的膜上富含鞘磷脂与胆固醇，是一种因为相分离而形成的“信号传递枢纽”细胞器。已有的单分子荧光实验表明，Ptc1在质膜微囊中以聚集形式存在，可能与其需要高效招募配体、共受体与下游信号分子有关。

Ptc1蛋白颗粒二维分类和三维重构结果，以及据此搭建的单体原子模型及其与在囊束中结构的细微区别。下方显示三种不同的二聚体状态及膜曲率。

在此研究中，研究者采用磷脂和胆固醇重构脂微盘，并将Ptc1重构至这种类天然的脂膜环境中并采用生物化学分析方法证实了重构过程。对重构后的蛋白质进行单克隆冷冻电镜分析，解析了脂环境中Ptc1的三维结构至3.6埃。结构分析显示其与囊束等非脂环境中解析的Ptc1结构整体类似，但也呈现出一些局部构象的区别。

具体而言，作为胆固醇转运通道的一部分，Ptc1的固醇感知结构域 (SSD) 附近的跨膜区比之前的结构更加紧密。而在胞外的固醇释放位点附近区域则表现出较高灵活性。这些区别可能与固醇类化合物的转运和释放有关。

有意思的是，本研究发现Ptc1还存在多种之前未被报道的二聚体状态，且这些二聚状态与膜曲率相关。其中弯曲程度最大的二聚体，其膜曲率与天然状态下质膜微囊的曲率近似。因为脂微盘本身不具有曲度，因此这些弯曲的膜结构可能是Ptc1二聚体所介导形成的。

该结果提示，膜蛋白功能可受到脂环境的影响，但膜蛋白也能通过影响脂膜的物理与化学特征来影响和发挥生物学功能。这些新型二聚状态的发现为在体内观察到的Ptc1在质膜微囊中聚集的现象提供了可能的结构模型。

该工作由中科院分子细胞科学卓越创新中心（上海生化与细胞所）/上海科技大学的博士研究生罗椅天、助理研究员万国悦、硕士研究生张翔及博士研究生周璇等共同完成，硕士研究生王秋文，博士研究生马丽雅，范佳琳博士，蔡洪敏博士，邬海龙博士等做了重要贡献。

国家蛋白质科学研究（上海）设施冷冻电镜系统及上海科技大学冷冻电镜平台为本研究的数据采集提供大力支持。该研究得到国家自然基金委，科技部及中国科学院的资助。

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https://doi.org/10.1016/j.str.2021.06.004