如今，RNA干擾技術被越來越多地用于調控人類基因的表達。動植物存在一類長度約為22 nt的非編碼單鏈RNA分子microRNA（miRNA），能夠通過RNAi參與轉錄后基因的表達調控。科研人員在線蟲系統性RNAi的研究中發現，跨膜蛋白SID-1（systemic RNA interference defective protein 1）在介導外源雙鏈RNA（double-stranded RNA，dsRNA）的吸收方面具有重要作用，是重要的核酸轉運通道。在哺乳動物細胞中，存在與SID-1有相似核酸轉運功能的兩個同源跨膜蛋白——SIDT1和SIDT2（SID1 transmembrane family member 1/2）。SIDT2參與細胞內DNA/RNA自噬過程，并將溶酶體內化的核酸轉運至細胞質，引發先天免疫反應；SIDT1更是直接介導食物性來源miRNA的吸收。研究發現，胃部是吸收食物小RNA的主要部位，在哺乳動物的胃粘膜頂細胞（pit cell）上表達的SIDT1是吸收外源小RNA的關鍵蛋白質。這一過程在極低pH的胃酸環境下得到顯著促進，且酸刺激極大程度地促進了miRNA的吸收。這一發現為小RNA的“跨界調控”提供了進一步的證據，為基于小RNA的治療提供了新策略，并為基于RNA的藥物開發提供了潛在方向。雖然越來越多的相關研究均支持哺乳動物SID-1跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2介導核酸轉運，但是SID-1跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2介導異源小RNA吸收的分子機制仍然不夠清晰，特別是關于低pH條件下促進小RNA吸收過程的機制仍然未知。
中國科學院生物物理研究所孫飛課題組聯合南京大學生命科學學院籍曉云課題組、張辰宇課題組，在《細胞研究》（Cell Research）上，在線發表了題為Cryo-EM structures of human SID-1 transmembrane family proteins and implications for their low-pH-dependent RNA transport activity的研究論文。該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術，首次同時解析了人源SIDT1和SIDT2蛋白質的同源二聚體三維結構。本研究首次發現，SIDT1和SIDT2可以以pH依賴的方式結合miRNA，并誘發SIDT1和SIDT2的進一步寡聚化。該成果從分子層面揭示了酸性環境促進小RNA吸收的分子機理，剖析了SIDT1和SIDT2介導核酸轉運的潛在分子機制，對探究SIDT1和SIDT2在酸性微環境中的功能調控以及RNA遞送系統的開發具有潛在意義。
科研團隊攻克了膜蛋白樣品表達純化的困難以及在冷凍樣品制備過程中存在的嚴重取向優勢等難題，利用冷凍電鏡單顆粒技術獲得了人源SIDT1和SIDT2的三維結構。SIDT1和SIDT2均含有一個胞外結構域（extracellular domain，ECD）、一個由11次跨膜螺旋組成的跨膜結構域（transmembrane domain， TMD），以及一個柔性的胞內結構域（intracellular domain，ICD）。研究通過結構分析發現SIDT1和SIDT2的結構高度相似，這提示它們可能具有相似的生物學功能。同時，研究還發現了進化保守的位點如二硫鍵和糖基化位點。它們對SIDT1和SIDT2酸性條件下的穩定性和結構完整性起著重要作用。此外，研究人員檢測了SIDT1和SIDT2在體外和活細胞中的聚合狀態。結果表明，這兩種蛋白質均以二聚體或寡聚體的形式存在，且TMD對于維持二聚體至關重要。上述成果為闡釋SIDT1和SIDT2在體內的功能提供了重要信息。
為了揭示SIDT1和SIDT2介導小RNA轉運的分子機制，研究進一步探討了它們的ECD與小RNA的結合情況。實驗結果顯示，SIDT1和SIDT2的ECD能夠以pH依賴性方式有效地與小RNA結合。在酸性條件下，ECD與小RNA的親和力增加，且這種結合進一步引發了ECD的寡聚化。這推翻了前期報道的SIDT1ECD和SIDT2ECD只能結合較長的雙鏈RNA（>100 bp）的觀點。同時，研究還發現，ECD蛋白在酸性條件下與核酸的結合，不受核酸種類、單雙鏈的特異性影響，且這種結合存在pH依賴性。通過分析型超速離心和凝膠過濾層析分析，研究發現，在酸性條件下，SIDT1和SIDT2與核酸結合能夠誘導蛋白質的寡聚化，這表明它們具有形成核酸孔道的潛力。該研究揭示了低pH環境在促進SIDT1和SIDT2吸收外源小RNA的關鍵作用，深化了在低pH條件下促進小RNA的跨膜吸收的分子機制理論基礎。
綜上，該研究解析了哺乳動物細胞跨膜家族蛋白SIDT1和SIDT2的冷凍電鏡結構，并首次提出了SIDT1和SIDT2與RNA的pH依賴性結合和寡聚化的分子特征。因此，該成果為SID-1跨膜家族蛋白在核酸轉運方面奠定了分子基礎，并為“基因跨界調控”現象提供了直接的理論分子依據。
研究工作獲得國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。部分樣品制備、數據收集和分析等工作得到生物物理所蛋白質科學研究平臺生物成像中心的協助。上?？萍即髮W的科研人員參與研究。
SIDT1和SIDT2同源二聚體的冷凍電鏡結構
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