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膽堿是重要的人體必需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

細(xì)胞膜的合成和神經(jīng)信號(hào)的傳遞，都需要大量的膽堿。

大腦對(duì)膽堿的需求量非常大，而且無(wú)法有效地在體內(nèi)從頭合成，因此大腦所需的大部分膽堿都是從我們?nèi)粘３缘氖澄镏形铡?/strong>作為卵磷脂的重要組成部分，膽堿是如何被大腦吸收的這一問(wèn)題，已經(jīng)困擾了科學(xué)家半個(gè)多世紀(jì)。

前不久，由美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Filippo Mancia和Rosemary J. Cater，以及加州大學(xué)舊金山分校Thomas Arnold領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)，在頂級(jí)期刊《自然》上發(fā)表了一篇重磅研究論文[1]，解開(kāi)了這個(gè)困擾科學(xué)家長(zhǎng)達(dá)50多年的學(xué)術(shù)問(wèn)題。

研究人員首次發(fā)現(xiàn)，主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白FLVCR2，是血腦屏障中主要的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，大腦吸收的大部分膽堿都是通過(guò)FLVCR2完成的。他們還借助冷凍電鏡，探索了FLVCR2轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿的過(guò)程。

這一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的發(fā)現(xiàn)，意義不僅僅在于發(fā)現(xiàn)了大腦吸收膽堿的機(jī)制，它還意味著日后可以借助于這個(gè)吸收過(guò)程，開(kāi)發(fā)更多可以進(jìn)入大腦的藥物。

▲論文首頁(yè)截圖

近20年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找膽堿的潛在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，但是迄今為止，可以確定的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白只有兩個(gè)，一個(gè)是幾乎只在膽堿能神經(jīng)元中表達(dá)的ChT（又稱(chēng)SLC5A7）[2]；另一種是近兩年確定的FLVCR1，它在大多數(shù)細(xì)胞類(lèi)型中都有表達(dá)，但在腦內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)量卻不高[3-5]。

從名字上就可以看出，F(xiàn)LVCR1和FLVCR2可能是“一家人”，不過(guò)二者其實(shí)是近親，同源性?xún)H為55%。與FLVCR1不同，F(xiàn)LVCR2主要在血腦屏障的內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)。雖然有一些研究發(fā)現(xiàn)FLVCR2對(duì)腦血管生成和大腦正常發(fā)育至關(guān)重要，但是FLVCR2的真正生理功能仍不為人所知。

FLVCR1的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白身份在2023年被揭示之后[3,4]，近親FLVCR2的功能也就呼之欲出了。Mancia團(tuán)隊(duì)很快就基于小鼠模型證實(shí)，FLVCR2確實(shí)只存在于所有腦血管節(jié)段（動(dòng)脈、毛細(xì)血管和靜脈）的內(nèi)皮細(xì)胞中。

而且FLVCR2在腦內(nèi)皮細(xì)胞質(zhì)膜的兩側(cè)都有表達(dá)，其中管腔那一側(cè)的細(xì)胞膜表達(dá)水平相對(duì)較高。他們?cè)诔扇舜竽X中也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的分布。從表達(dá)部位上來(lái)看，F(xiàn)LVCR2確實(shí)處于將膽堿從血液吸收進(jìn)大腦的理想位置。

▲FLVCR2的空間分布

接下來(lái)就是探索FLVCR2究竟能不能轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿了。

Mancia團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了FLVCR2編碼基因Flvcr2被條件性敲除的小鼠模型（Flvcr2-cKO），然后觀察被放射性標(biāo)記的膽堿在體內(nèi)的吸收情況。結(jié)果很明顯，在腦血管密度、形態(tài)和屏障功能完好無(wú)損的情況下，基因缺失小鼠大腦吸收膽堿顯著減少。

基于體外細(xì)胞系的研究也證實(shí)了上述發(fā)現(xiàn)，所有的證據(jù)都表明，FLVCR2確實(shí)是血腦屏障中的膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)大腦對(duì)膽堿的吸收。此外，F(xiàn)LVCR2在堿性條件下（pH值7.5以上）比在酸性條件下（pH值7.5以下）更容易結(jié)合膽堿。

▲血腦屏障中FLVCR2的示意圖

在研究的最后，Mancia團(tuán)隊(duì)借助冷凍電鏡，研究了FLVCR2轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿時(shí)，二者之間的相互作用位點(diǎn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，作為主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族的一員，F(xiàn)LVCR2轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿的過(guò)程與其他轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)底物類(lèi)似。當(dāng)膽堿要穿過(guò)血腦屏障時(shí)，F(xiàn)LVCR2會(huì)打開(kāi)內(nèi)皮細(xì)胞血管腔一側(cè)，閉合胞內(nèi)一側(cè)；隨后膽堿進(jìn)入腔內(nèi)與特定位點(diǎn)相結(jié)合，引起FLVCR2構(gòu)象變化——胞內(nèi)一側(cè)打開(kāi)的同時(shí)，胞外一側(cè)關(guān)閉，并完成膽堿的運(yùn)輸。

關(guān)于這一過(guò)程，在Mancia團(tuán)隊(duì)的論文見(jiàn)刊的3周之后，由德國(guó)馬克斯·普朗克生物物理研究所Schara Safarian、Di Wu和Gerhard Hummer，以及新加坡國(guó)立大學(xué)Long N. Nguyen領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，在《自然》上發(fā)表的另一篇研究成果，更詳細(xì)地揭示了FLVCR2轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿的過(guò)程[6]。

▲FLVCR2轉(zhuǎn)運(yùn)膽堿的過(guò)程[6]

總的來(lái)說(shuō)，Mancia團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)研究首次確定了大腦吸收膽堿的關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，破解了困擾學(xué)界長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的謎題。這一發(fā)現(xiàn)也為靶向大腦藥物的開(kāi)發(fā)，提供了新思路。

此外，這個(gè)研究還提醒我們，要多吃富含膽堿的食物（如雞蛋、蔬菜、肉類(lèi)、堅(jiān)果和豆類(lèi)等），畢竟大腦非常需要膽堿，而且還為此準(zhǔn)備了一套專(zhuān)門(mén)的吸收系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

[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