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ACS化学生物。作者手稿;PMC 2012年10月21日发布。
以最终编辑形式发布为:
2011年7月27日在线发布。 数字对象标识:10.1021/cb200178w
预防性维修识别码:PMC3199320型
尼姆斯:NIHMS314714
PMID:21774515

受体介导的细胞摄取机制与细胞内储存相结合

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补充资料

摘要

众所周知,细胞通过主动转运、通道和便利转运等膜转运机制来吸收分子。我们在这里报道了一种新的膜转运机制,它既不使用细胞能量类的主动转运,也不使用自由基类通道或促进转运的预先存在的电化学梯度。通过这种机制,细胞吸收血液中与视黄醇结合蛋白(RBP)具有高亲和力的维生素A。这种机制由RBP受体STRA6介导,它定义了一种新型的细胞表面受体。STRA6对多个人体器官的正常功能至关重要,但其激活和控制细胞维生素A摄取活性的机制尚不清楚。我们发现,STRA6介导的维生素A摄取与特定的细胞内维甲酸存储蛋白紧密耦合,但其转运活性不需要任何单一的细胞内蛋白。通过开发敏感的实时监测技术,我们发现STRA6不仅是一种膜受体,而且还催化RBP释放维生素a。然而,STRA6从RBP释放的维生素A会抑制STRA6进一步释放维生素A,除非特定的细胞内维甲酸存储蛋白解除这种抑制。这种机制负责其与细胞内储存蛋白的偶联。摄取与储存的耦合为细胞摄取维生素A提供了高度的特异性,并防止了游离维生素A的过度积累。我们还确定了一种强大的小分子技术,专门刺激细胞维生素A的摄取。这项技术在治疗人类疾病方面具有重要意义。

维生素A及其衍生物(维甲酸类)是一组具有关键和多种生物功能的化学物质。例如,维生素A的醛形式在视觉中起感光发色团的作用(1)并调节脂肪生成(4). 维生素A(维甲酸)的酸性形式调节基因转录并控制细胞生长和分化(5,6). 由于其强大的生物活性,非特异性和过量摄入维生素A可能导致严重毒性(710). 细胞如何控制维生素A的摄入以防止其过度积累和随机扩散尚不清楚。血浆视黄醇结合蛋白(RBP)是血液中维生素A的主要载体(1113)其过度分泌在胰岛素抵抗中起作用(14). STRA6,一种最初在癌细胞中发现的膜蛋白(15,16),是介导细胞摄取维生素A的高亲和力RBP受体(17). 它在依赖维生素A维持正常功能的细胞或组织中表达。例如,它在大脑中的表达与已知的维生素A衍生物的神经元功能一致(18,19). 人类和动物的研究都表明,STRA6的缺失会导致多个器官的严重缺陷(20,21).

STRA6是一种多跨膜结构域蛋白,代表一种新型的细胞表面受体。STRA6的机制不依赖于内吞作用(17). 它的能量独立性也排除了初级或次级主动运输。与由游离底物的电化学梯度驱动的通道或便利转运蛋白不同,STRA6的底物视黄醇不是游离的,没有电荷,并且一次只能由RBP提供一个分子。其机制因视黄醇和RBP之间的高亲和力相互作用、依赖RBP结合传递视黄醇以及RBP解离以使下一个RBP结合以及细胞内蛋白的参与而进一步复杂化。STRA6如何介导底物摄取尚不清楚,其活性无法用已知的细胞摄取机制来解释(图1A). 我们(17)和其他调查人员(21,22)发现卵磷脂视黄醇酰基转移酶(LRAT)刺激STRA6的维生素A(视黄醇)摄取活性。还发现STRA6和LRAT不能从视黄胺/RBP复合物中摄取视黄胺(22)或维甲酸/RBP复合物中的维甲酸(21). 为什么LRAT刺激STRA6的视黄醇摄取,而不是其他类视黄醇的摄取?在没有LRAT的情况下,STRA6是否有任何视黄醇摄取活性?如果是,为什么LRAT可以刺激其活动?如果不是,STRA6只是RBP的受体吗?STRA6如何允许视黄醇进入细胞而将RBP留在细胞外?LRAT是唯一能刺激STRA6活性的蛋白质吗?LRAT将视黄醇转化为维生素a的储存形式视黄醇酯。视黄醇也可以通过与细胞视黄醇结合蛋白(CRBP)结合来储存,例如CRBP-I(2325)和CRBP-II(26). CRBP-I或CRBP-II能否刺激STRA6的视黄醇摄取?视黄醇是唯一可以通过STRA6吸收的底物吗?在LRAT存在的情况下,STRA6还可以促进外源性视黄醇加载到载脂蛋白-RBP中(21). LRAT是否刺激视黄醇负荷或视黄醇摄取?小分子能刺激STRA6的视黄醇摄取吗?这些问题的答案可能有助于揭示STRA6的维生素A摄取机制。

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STRA6将细胞对维生素A的吸收耦合到细胞内储存。(A)比较已知细胞摄取机制(如受体介导的内吞作用、初级和次级主动转运、通道、促进转运和随机扩散)和RBP受体介导的细胞维生素A摄取的示意图。(B)CRBP-I与STRA6结合使用时比CRBP-II更有效H-视黄醇来自H-视黄醇/RBP。CRBP-I和CRBP-II均在C末端用6X His标记,并用抗His标记抗体检测其在转染细胞中的表达,以比较其表达水平。(C)与时间相关的用于STRA6/LRAT、STRA6/CRBP-I、仅STRA6细胞的H-视黄醇,以及从H-视黄醇/RBP。最高的STRA6/LRAT细胞的H-视黄醇摄取活性定义为100%。(D)去除细胞表面束缚H-视黄醇/RBP通过过度未标记的holo-RBPH-视黄醇摄取H-视黄醇RBP。与STRA6/LRAT电池不同,大多数与STRA6细胞相关的H-视黄醇(信号高于未转染细胞的背景)代表H-视黄醇/RBP与细胞表面结合。未填充的列表示单元表面绑定H-视黄醇,形式为H-视黄醇/RBP。填充列表示单元格H-视黄醇摄取。(E)高效液相色谱法分析STRA6/LRAT细胞、STRA6-only细胞和对照未转染细胞形成的视黄酯,使用人血清作为holo-RBP的来源。图中显示了代表视黄酯的峰。鉴于LRAT在视黄醇酯形成中的作用,STRA6-only和对照细胞没有检测到视黄醇酯类。(F)分析与转染STRA6、STRA6/LRAT、STAR6/CRBP-I和对照细胞的细胞结合的RBP的分离。细胞与holo-RBP孵育1小时后,用PBS洗涤细胞去除未结合的RBP。在无血清培养基(SFM)中进一步孵育0、60或120分钟后,用Western blot分析与细胞相关的RBP。在SFM中孵育两小时后,RBP与STRA6完全解离。(G)高效液相色谱法分析由STRA6/CRBP-I、STRA6和对照细胞转染的细胞从人血清中摄取的视黄醇。在SFM中孵育2小时,去除细胞表面结合的RBP。图中显示了代表视黄醇的峰值。Y轴上的一个单位表示E和G的1 mAU。

结果

STRA6介导的维生素A摄取与CRBP-I和LRAT的耦合

我们测试了CRBP-I或CRBP-II是否能增强STRA6的维生素A摄取,发现CRBP-I1确实能增强STAR6的维生素A摄取活性(补充图1). 相反,尽管CRBP-II具有相似的表达水平,但其效果要差得多(图1B). CRBP-I和CRBP-II之间的差异表明,结合视黄醇的能力不足以提高STRA6的维生素A摄取。使用H-视黄醇摄取试验,我们接下来比较了表达STRA6/LRAT、STRA6/CRBP-I和单独表达STRA6的细胞之间维生素A摄取的时间进程,发现STRA6/CRBP-I和STRA6细胞,而不是STRA6/L AT细胞,表现出明显的饱和(图1C). 尽管这一结果表明可用于CRBP-I反应的apo-CRBP饱和,并且正在进行用于STRA6/LRAT反应的视黄酯合成,但仅STRA6细胞摄取维生素A的性质尚不清楚。

为了克服以表面结合holo-RBP形式与细胞相关的视黄醇的复杂性,我们添加了大量过量的未标记holo-RBP来与之竞争H-视黄醇/RBP在细胞表面与STRA6结合。令人惊讶的是,去除细胞表面holo-RBP后,STRA6几乎没有“真正的”视黄醇摄取活性(图1D). 由于holo-RBP以holo-RBP/转甲状腺素(TTR)复合物的形式存在于血清中(12)我们还使用高效液相色谱法和人血清作为holo-RBP的来源,以证实STRA6本身几乎不含视黄醇的发现(图1E、1F和1G). 由于LRAT在视黄醇酯形成中的作用(图1E),基于视黄醇的分析(图1G)有必要揭示STRA6-only细胞的视黄醇摄取活性的性质。只有STRA6的细胞在TTR存在时吸收更少的维生素A,这部分抑制了STRA6活性(补充图2). STRA6对LRAT或CRBP-I摄取维生素A的依赖性表明,STRA6与这些蛋白质紧密结合。

STRA6催化的视黄醇释放活性及其对游离视网膜的抑制作用

STRA6-only细胞对维生素A的摄取活性很低,这表明STRA6本身似乎无法从holo-RBP中释放视黄醇。如果RBP没有释放出视黄醇,并且RBP没有被内吞,视黄醇是如何进入其靶细胞的?为了解决这一矛盾,我们通过开发一种检测holo-RBP中视黄醇释放的敏感方法来测试STRA6是否加速视黄醇的释放。该分析基于当视黄醇与RBP结合时,视黄醇荧光显著增强。在该测定中,当与holo-RBP孵育时,STRA6/LRAT膜引起视黄醇荧光的大幅降低。有趣的是,STRA6膜也会显著降低视黄醇荧光,而对照组、LRAT和STRA6突变的膜(27)具有正常细胞表面表达但不结合RBP的细胞不能导致任何减少(图2A). 我们进一步将反应分为膜和上清液部分,发现STRA6/LRAT导致上清液中RBP完全释放视黄醇,而STRA6导致部分视黄醇释放(图2B). STRA6处理反应上清液中的视黄醇以全息RBP的形式存在,而不是以游离视黄醇的形式存在(图2C). 正如预期的那样,STRA6/LRAT膜中的视黄醇已经转化为视黄醇酯,但STRA6膜中的视黄醇仍然是视黄醇形式(图2D). 我们还从人血清中纯化了RBP/TTR复合物,并证明STRA6也能催化RBP/TTR复合物中的视黄醇释放(图3A和3B).

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STRA6催化的视黄醇从holo-RBP中释放。(A)与来自STRA6、STRA6/LRAT、STRA6-G340L突变体或对照细胞的膜孵育的holo-RBP的视黄醇荧光发射光谱。控制装置的最大发射信号定义为100%。(B)比较STRA6和STRA6/LRAT在holo-RBP中的视黄醇释放。将holo-RBP与STRA6、STRA6/LRAT、STRA6-G340L或对照未转染膜孵育2小时后,将每个反应分为膜结合部分和可溶性部分。测定各组分的视黄醇荧光。最高视黄醇荧光信号(G340L的未结合部分)定义为100%。尽管STRA6/LRAT处理的holo-RBP(红色星号)上清液中没有可检测到的视黄醇,但STRA6处理的holo-RBP(蓝色条)上清中有显著的视黄醛荧光。(C)由于SDS(0.2%)抑制holo-RBP而非游离视黄醇的荧光,因此STRA6处理的holo-RBP上清液的视黄醇荧光被抑制,表明视黄醇以holo-RBP-的形式存在,而不是以游离形式存在。SDS处理前每个样品的视黄醛荧光定义为100%。(D)用高效液相色谱法分析了STRA6和STRA6/LRAT从holo-RBP中释放到膜中的视黄醇的命运。STRA6/LRAT膜中的视黄醇已转化为视黄醇酯,但STRA6膜中的视黄醇仍然是视黄醇形式。

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STRA6催化的视黄醇释放特性。(A)从人血清中纯化RBP/TTR复合物。Sypro Ruby-tained SDS-PAGE凝胶左侧显示了用于纯化RBP/TTR复合物的三个色谱柱中的正常人血清和含有RBP/TTR-的峰组分。(B)STRA6催化天然RBP/TTR复合物中的视黄醇释放。将纯化的RBP/TTR复合物(0.4μM)与STRA6或STRA6/LRAT膜培养,但不与对照或LRAT膜孵育,导致视黄醇荧光显著降低。0分钟时的视黄醇荧光定义为100%。(C)视黄醇荧光分析(0分钟加入holo-RBP)表明,当RBP与STRA6摩尔比较低时,STRA6(0.2μM)释放视黄醇的效果与使用LRAT的STRA6一样,但当RBP和STRA6的摩尔比增加时,效果要差得多。每个反应的每个时间点的视黄醇荧光信号在0 min时归一化为其自身的值(定义为100%)。(D)游离视黄醇(4μM)抑制STAR6催化的视黄醇从holo-RBP(1μM)中释放(向上箭头),但LRAT或CRBP-I(向下箭头)可减轻这种抑制。0分钟时的视黄醇荧光定义为100%。

为什么STRA6在荧光分析中刺激视黄醇释放,但在细胞视黄醇摄取分析中导致维生素A摄取很少?这一结果可以用这些分析中使用的holo-RBP与STRA6的比率来解释。与细胞视黄醇摄取分析中使用的相比,视黄醇荧光分析具有更低的holo-RBP与STRA6比值和更高的STRA6浓度。在荧光分析中,当holo-RBP与STRA6的比值增加时,STRA6对LRAT释放视黄醇的依赖性更强(图3C). 活细胞中维生素A摄取测定也证实了这一点(补充图3). 解释STRA6对LRAT依赖性的一个假设是,STRA6释放的视黄醇抑制视黄醇的进一步释放,但LRAT通过将视黄醇转化为视黄酯来缓解抑制。为了验证这一假设,我们在STRA6膜中添加了游离视黄醇,并且确实观察到了对STRA6催化的视黄醇释放的强烈抑制作用(图3D). LRAT或CRBP-I可以减轻这种抑制作用。

STRA6催化的视黄醇负载活性及其双相动力学

如果当有更多的holo-RBP时,STRA6更多地依赖LRAT释放视黄醇,那么更多的apo-RBP的作用是什么?我们在催化了holo-RBP中视黄醇的释放后,测试了向STRA6中添加apo-RBP,发现添加apo-RPP导致STRA6反应中的荧光增强,但在STRA6/LRAT反应中没有荧光增强(图4A). 荧光增强表明,STRA6释放的视黄醇被加载回RBP,LRAT将视黄醇转化为视黄醇酯阻止了加载。由于该实验无法区分视黄醇负荷是从游离视黄醇还是视黄醇/STRA6复合物开始的,我们测试了游离视黄醛,发现STRA6催化游离视黄酸非常有效地负荷到RBP中(图4B). STRA6催化的视黄醇加载的初始阶段与STRA6促进的视黄醛释放的初始阶段有很大不同(图4C和4D). 与视黄醇释放期间的荧光衰减相比,STRA6催化的荧光增加具有一个峰值(图4B和4C). 这种负载反应的双相性质可以用STRA6的双重功能来解释,STRA6首先催化视黄醇负载,然后催化新形成的holo-RBP的视黄醇释放。有趣的是,当STRA6有同等机会催化视黄醇释放或催化视黄醛负载时,负载活性最初占主导地位(图4E). STRA6强大的视黄醇负载活性表明,当有更多holo-RBP时,STRA6可能更依赖LRAT释放视黄醇,因为释放的视黄醛会因STRA6的视黄碱负载活性而抑制进一步释放。始终,STRA6催化的视黄醇负载被LRAT和CRBP-I抑制(图4F). STRA6的视黄醇负载活性也通过HPLC分析证实(补充图4).

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视黄醇荧光测定,实时监测STRA6催化的视黄醇负载。在每次反应开始0分钟时添加的视黄醇或RBP显示在每个图表的左下角。(A)如果添加了apo-RBP,则在与STRA6孵育后从RBP释放的视黄醇被加载回RBP。LRAT阻止了此装载活动。所有反应在0 min时添加Holo-RBP,在90 min时添加apo-RBP。0分钟时的视黄醇荧光定义为100%。(B)STRA6催化游离视黄醇快速加载到apo-RBP,但大约30分钟后,信号开始衰减。对照膜未检测到视黄醇负荷。0分钟时添加视黄醇。视黄醇加载期间达到的最高视黄醇荧光值定义为100%。(C) 和(D)比较STRA6催化的视黄醇负荷(C)和视黄醇释放(D)。除了三种不同的STRA6浓度外,反应中还含有相同数量的视黄醇(2μM,游离或结合到RBP)和RBP(2μM,作为apo-RBP或holo-RBP)。每个负载反应的荧光特征是快速上升到峰值,然后衰减。相反,每个释放反应的荧光特征是缓慢下降到平台。对于负载反应,所有反应中的最高视黄醇荧光定义为1。对于释放反应,0分钟的视黄醇荧光定义为1。(E)当STRA6有同等机会催化视黄醇释放(2μM视黄醇和2μM apo-RBP)或负载(2μM holo-RBP)时,负载活性最初占主导地位(橙色线)。STRA6催化的视黄醇释放反应用于比较(蓝线)。在0分钟时加入的holo-RBP和/或游离视黄醇形式的视黄醇荧光定义为1。(F)LRAT和CRBP-I均抑制了使用游离视黄醇的依赖于STRA6的载脂蛋白-RBP的重新加载。在0分钟时,向STRA6、STRA6/CRBP-I、STRA6/LRAT或与载脂蛋白R-BP预混合的对照膜中添加1μM视黄醇。CRBP-I浓度为2μM。0分钟时的视黄醇荧光信号定义为1。

CRBP-I的特性决定了其与STRA6的耦合能力

CRBP-I和RBP都是视黄醇结合蛋白。STRA6催化的RBP负载与STRA6催化剂的CRBP-I负载之间的区别是什么?CRBP-I和CRBP-II也是视黄醇结合蛋白。为什么只有CRBP-I才能有效地与STRA6结合,以调节holo-RBP对维生素A的吸收?为了回答这些问题,我们开发了一种荧光共振能量转移(FRET)技术来实时监测视黄醇向CRBP-I的转运。该技术基于视黄醇的发射光谱和增强型绿色荧光蛋白(EGFP)的激发光谱之间的显著重叠(补充图5). 我们使用CRBP-I和EGFP之间的融合蛋白(EGFP-CRBP-I),在STRA6介导的视黄醇从holo-RBP转移到EGFP-CRBS-I的过程中,观察到视黄醇和EGFP-之间清晰的FRET信号(图5A和5B). 实时监测显示FRET信号的增加和饱和取决于STRA6、时间和CRBP-I浓度;但除非添加apo-CRBP-I,否则未观察到衰变(图5C补充图6A). 稳定的信号表明,与STA6催化的RBP视黄醇负载形成鲜明对比的是,STR6催化的视黄醇转移到CRBP-I并不会导致CRBP-I的进一步卸载(图4B和4C). 与RBP相比,RBP依赖于STRA6以有效装载视黄醇(图4B),CRBP-I吸收添加的视黄醇,以控制与STRA6膜无明显区别的膜(补充图6B)与CRBP-II相比,与STRA6偶联更有效,因为其对视黄醇的亲和力更高(补充图6C和6D). 这些实验表明,CRBP-I与视黄醇的高亲和力结合使其区别于CRBP-II,而其对视黄醇从膜上的STRA6非依赖性吸收使其区别与RBP。

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视黄醇-EGFP-FRET分析,监测STRA6催化的视黄醇从holo-RBP到EGFP-CRBP-I的转运。对于A和B,在0分钟时添加0.5μM holo-RBP。(A)与CRBP-I相关的视黄醇和EGFP之间的FRET通过510 nm处EGFP发射峰的时间依赖性和伴随性增加(红色箭头)和470 nm处视黄醇发射峰的减少(左侧面板)来证明。0分钟470 nm处的发射定义为100%。所有光谱与470 nm峰进行归一化后,510 nm峰变得更加明显(右侧面板)。470 nm处的发射定义为100%。(B)如果EGFP与CRBP-I无关,则未观察到510 nm的峰值。0分钟时470 nm的发射被定义为100%。(C)实时FRET分析显示FRET信号依赖于STRA6和EGFP-CRBP-I,除非添加apo-CRBP-I(1μM),否则信号不会衰减。在0分钟时添加Holo-RBP(2μM)。

STRA6的LRAT和CRBP-I独立刺激

LRAT和CRBP-I是唯一可以与STRA6结合的蛋白质吗?LRAT和CRBP-I与STRA6偶联,因为它们能够抑制自由底物中间体,而自由底物对视黄醇释放具有抑制作用。我们测试了其他能够与游离底物相互作用的蛋白质是否与STRA6结合。事实上,视黄醇脱氢酶(RDH)以游离视黄醇为底物,在NADP存在下通过将视黄醇转化为视网膜来加速STRA6催化的视黄醇释放(图6A). 结合游离视黄酸的细胞视黄酸结合蛋白-I(CRABP-I)与STRA6偶联,介导视黄酸/RBP复合物摄取视黄酸(图6B). LRAT和CRBP-I不与维甲酸相互作用,在这种情况下不能再与STRA6偶联(图6B).

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LRAT和CRBP-I对STRA6底物摄取的依赖性增强。每个实验的示意图显示在顶部。(A)视黄醇荧光分析(0分钟加入4μM holo-RBP)表明RDH显著增强了STRA6催化的视黄醇释放。在所有反应中添加NADP(0.2 mM)。(B)CRABP-I,但不是CRBP-I或LRAT,与STRA6配对用于蜂窝H-维甲酸摄取H-维甲酸/RBP。STRA6/CRABP-I转染细胞的活性定义为100%。CRABP-I细胞的活性是由于RBP向细胞中非特异性释放维甲酸所致。CRBP-I和LRAT在维甲酸摄取中不能与STRA6偶联,这与CRBP-I-不结合维甲酸和维甲酸不是LRAT底物的事实一致。每个实验的顶部都绘制了一个示意图。

β-紫罗兰酮以依赖STRA6的方式刺激细胞维生素A的摄取

小分子能否通过影响游离底物中间体来增强STRA6的活性?游离的未标记视黄醇有望增强H-视黄醇摄取如果未标记的游离视黄醇通过与H-视黄醇。我们发现事实确实如此(图7A). 作为RBP的天然底物,视黄醇天然抑制STRA6介导的维生素A摄取,并且只能在H-视黄醇摄取测定。在所有检测中,类似视黄醇的化合物是否可能增强STRA6的活性?我们测试了在水果和蔬菜中发现的一种小化学物质β-紫罗兰酮,它在结构上模拟视黄醇,但不是视黄醇。事实上,β-紫罗兰酮以剂量依赖性的方式刺激holo-RBP对视黄醇的摄取H-视黄醇摄取测定(图7A),视黄醇荧光测定(图7B和7C)以及以人血清作为holo-RBP来源的基于HPLC的检测(图7F). 与CRBP-I和LRAT一样,β-紫罗兰酮通过阻断STRA6的视黄醇负载活性来刺激STRA6对维生素A的摄取活性(图7C和7E). 然而,确切的机制是不同的。CRBP-I和LRAT去除游离视黄醇,但β-紫罗兰酮在STRA6催化的视黄醇负载反应中与游离视黄醛竞争(图7D和7E). 值得注意的是,作为一种外源性小分子,β-紫罗兰酮可以与CRBP-I一样有效地促进STRA6细胞的视黄醇摄取,甚至可以进一步促进STRA6/CRBP-I细胞对视黄醇的摄取(图7F).

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β-紫罗兰酮刺激STRA6介导的视黄醇摄取。(A)未标记的视黄醇或β-紫罗兰酮加速STRA6介导的来自的H-视黄醇H-视黄醇/RBP。未标记的视黄醇(2μM)或β-紫罗兰酮(2μM)显著提高了STRA6介导的细胞对H-视黄醇来自H-视黄醇/RBP,但对与对照细胞的反应几乎没有影响。特异性表明冷视黄醇和β-紫罗兰酮对H-视黄醇的摄取均由STRA6介导。(B)视黄醇荧光分析(0分钟加入2μM holo-RBP)表明,β-紫罗兰酮(10μM)促进了STRA6催化的视黄醇释放。β-紫罗兰酮依赖于STRA6来加速RBP的视黄醇释放,箭头所示,在初始阶段没有影响。(C)在0分钟时加入Holo-RBP(1μM)。在30分钟和60分钟时加入β-紫罗兰酮(10μM)可加速视黄醇的释放。与0分钟添加的β-紫罗兰酮(B)相比,效果更快。这些结果表明,β-紫罗兰酮仅在STRA6释放大量视黄醇时才显示其刺激作用,并且β-紫罗兰酮通过阻断视黄醇负荷增加视黄醇释放。一直以来,STRA6催化视黄醇在不含β-紫罗兰酮但不含β-Ironone的情况下于90分钟加入apo-RBP(1μg)。(D)β-紫罗兰酮和视黄醇相互拮抗STRA6对视黄醇释放的影响。游离视黄醇(2μM)抑制了STAR6催化的视黄醇从holo-RBP中的释放(蓝色向上箭头),而β-紫罗兰酮(10μM)促进了STRA6催化的视黄醇释放(棕色向下箭头)。β-紫罗兰酮和视黄醇的联合使用比单独使用β-紫罗兰酮产生的刺激作用小(灰色向上箭头),比单独使用视黄醇产生的抑制作用小(黄色向下箭头)。在0分钟时添加Holo-RBP(1μM)。(E)β-紫罗兰酮以浓度依赖性的方式抑制STRA6依赖性视黄醇加载到载脂蛋白-RBP中。在0分钟时向含有1μM apo-RBP的每个反应中添加视黄醇(1μM)。对于B-E,最高视黄醇荧光定义为1。(F)β-紫罗兰酮增强了STRA6介导的仅用于STRA6和STRA6/CRBP-I细胞的人血清视黄醇摄取。显示了从每个反应中提取视黄醇后视黄醇的HPLC峰值(红色箭头突出显示了β-紫罗兰酮对STRA6的刺激作用)。在此分析之前,细胞表面结合的RBP已被去除。最高视黄醇摄取活性定义为1。

受体介导的维生素A摄取模型

STRA6的各种活动(补充图7图8A)如其催化视黄醇释放、偶联LRAT、偶联CRBP-I、偶联CRABP-I、刺激快速视黄醇负载以及使β-紫罗兰酮大大刺激细胞视黄醇摄取的能力,排除了STRA6摄取机制的替代模型(补充图8)并导致统一模型(图8B). 在步骤1中,细胞表面的STRA6以高亲和力与holo-RBP结合。holo-RBP的来源是血液中的RBP/TTR复合物。STRA6可有效调节holo-RBP/TTR复合物对维生素A的摄取(图1E和1G)虽然TTR部分抑制了STRA6的活性(补充图2). 在步骤2中,STRA6催化holo-RBP释放视黄醇。STRA6催化视黄醇释放的能力已得到实时演示和分析(图2,,3,,4A、4D,、6A、,6A级、和和7B7亿第7天). 在步骤3中,释放的视黄醇通过强大的STRA6催化的视黄醛负载活性(路径3a)抑制进一步的视黄碱释放,或者被CRBP-I和LRAT清除(路径3c)。实时分析了STRA6催化的视黄醇负载(图4A、4B、4C、4E、4F、和和7E)。第七版). STRA6介导的视黄醇摄取与CRBP-I和LRAT耦合,因为它们可以抑制抑制性视黄醇中间体并抑制视黄醇负荷。在β-紫罗兰酮存在的情况下,通路3a被阻断,视黄醇摄取不再依赖于CRBP-I或LRAT(通路3b)(图8B). 在步骤4中,apo-RBP从STRA6中分离出来,并由于其不能结合TTR而在肾过滤中丢失(12).

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STRA6的视黄醇释放和视黄醇负载活性及其维生素A摄取机制示意图。(A)上图:根据实验设计,游离视黄醇可以增强或抑制STRA6介导的维生素A摄取。对于H-视黄醇摄取试验,额外的游离视黄醇(未标记)增强H-视黄醇摄取。对于设计用于监测未标记视黄醇的分析,如视黄醇荧光分析,额外的游离视黄醇抑制STRA6介导的视黄醇释放。相反,在所有检测中,β-紫罗兰酮增强了STRA6的维生素A摄取活性。β-紫罗兰酮还可以减轻游离视黄醇对STRA6催化的视黄醇释放的抑制。RDH(含NADP)通过将视黄醇转化为视网膜,增强STRA6催化从holo-RBP释放视黄醇。下图:STRA6催化视黄醇负载到apo-RBP中。然而,这种活性受到LRAT的抑制,LRAT将视黄醇转化为视黄醇酯,CRBP-I以高亲和力与视黄醇结合,β-紫罗兰酮在负载反应中与视黄醛竞争。(B)STRA6从holo-RBP摄取维生素A的机制示意图。

解散

将两种新开发的实时监测技术与基于放射性维甲酸和基于HPLC的技术相结合(补充表)本研究揭示了STRA6介导的底物摄取机制及其与不同细胞内蛋白偶联的能力。这项研究还发现,增强STRA6活性不需要绝对的细胞内蛋白,小分子有可能刺激STRA6介导的维生素a摄取。STRA6催化RBP释放的视黄醇在很大程度上是内分泌物诱导的视黄醛依赖性摄取的原因,但如果RBP类似于含有维生素a的“瓶子”,STRA6并不仅仅起到“开瓶器”的作用。相反,STRA6介导的视黄醇摄取与CRBP-I和LRAT耦合(但不与细胞膜耦合,尽管它们存储视黄醇的能力要大得多)。这种耦合机制取决于强大的STRA6催化的视黄醇负载,它抑制了视黄醇的进一步释放。简单地说,STRA6催化的视黄醇释放和STRA6催化剂的视黄醛负载在很大程度上(但不是完全)抵消了彼此的作用。任何能有效阻止STRA6催化的视黄醇负载的物质(如LRAT、CRBP-I或β-紫罗兰酮)都可以提高STRA6对维生素A的吸收。然而,实时分析显示,STRA6介导的视黄醇负荷显示出STRA6中介导的视黄醇释放中未观察到的明显双相特征。如果STRA6释放视黄醇或负载视黄醇的机会均等,则最初的负载活性占主导地位。STRA6视黄醇负载和释放活性的独特动力学特征表明,RBP的视黄醇损失改变了其与STRA6相互作用的性质,类似于holo-RBP和apo-RBP与TTR的差异相互作用。这种耦合机制的存在还取决于一种精细平衡的RBP/STRA6相互作用。如果RBP在失去视黄醇后立即与STRA6分离,则不存在,类似于RBP在丧失视黄醇之后立即失去与TTR的结合(12). 另一方面,非常稳定的RBP/STRA6相互作用将阻止下一个RBP进一步递送视黄醇。这种将吸收与储存耦合的模型不同于之前发表的所有可能的RBP受体机制模型。例如,以前的模型无法解释维生素a类似物可以显著增强(而不是抑制)RBP受体介导的维生素a摄取这一意外发现。

β-紫罗兰酮能有效刺激STRA6介导的维生素A摄取这一事实表明,CRBP-I和LRAT并非增强STRA6活性的绝对必要条件,小分子可以刺激STAR6的维生素A吸收活性。β-紫罗兰酮以依赖于STRA6的方式和类似于CRBP-I的效力增强细胞对维生素A的摄取,这表明了一种刺激STRA6对维生素A摄取的策略,而无需增加细胞内CRBP-I或LRAT的表达。鉴于β-紫罗兰酮作用的特殊性和剂量依赖性,β-紫罗兰酮或相关化合物可潜在用于治疗因组织视黄醇水平不足引起的人类疾病(2830). 这种策略的优点是,它能特别刺激细胞中天然吸收维生素a的天然维生素a吸收机制。

这里确定的机制与已知的细胞摄取机制显著不同,包括其他受体介导和内吞依赖机制(31,32). 它使STRA6能够在不使用细胞能量(如一级或二级活性转运体)或底物预先存在的电化学梯度(如通道或便利转运体等)的情况下,摄取与细胞外载体蛋白高度亲和的结合维生素A。为什么进化产生了这样一种新的机制,而不是使用现有的机制,比如ATP依赖性转运(32)将维生素A泵入细胞?这种耦合机制类似于依赖压力的水龙头,只有在需要水时才打开,因此可以防止洪水泛滥。这种机制可以精细地控制维生素A从细胞表面的摄取,防止维生素A因类维生素A强大而广泛的生物活性而产生毒性,特别是在发育期间和成人中调节基因转录(33,34).

方法

方法在支持信息.

补充材料

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致谢

我们感谢B.Ribalet、K.Philipson、E.Wright、D.Bok、G.Fain、W.Hubbell、J.Nathans、R.Kaback和B.Khakh对论文的有益讨论和/或建议,感谢J.Parker构建LED光源,感谢A.Rattner提供视黄醇脱氢酶质粒。由NIH拨款5R01EY018144(H.S.)支持。H.S.是霍华德·休斯医学研究所的早期职业科学家。

脚注

支持信息可用:此材料免费提供通过互联网。

工具书类

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