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膽堿是重要的人體必需營養物質。
細胞膜的合成和神經信号的傳遞，都需要大量的膽堿。
大腦對膽堿的需求量非常大，而且無法有效地在體内從頭合成，是以大腦所需的大部分膽堿都是從我們日常吃的食物中吸收。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題，已經困擾了科學家半個多世紀。
前不久，由美國哥倫比亞大學Filippo Mancia和Rosemary J. Cater，以及加州大學舊金山分校Thomas Arnold領銜的研究團隊，在頂級期刊《自然》上發表了一篇重磅研究論文[1]，解開了這個困擾科學家長達50多年的學術問題。
研究人員首次發現，主要協同轉運蛋白超家族轉運蛋白FLVCR2，是血腦屏障中主要的膽堿轉運蛋白，大腦吸收的大部分膽堿都是通過FLVCR2完成的。他們還借助冷凍電鏡，探索了FLVCR2轉運膽堿的過程。
這一轉運蛋白的發現，意義不僅僅在于發現了大腦吸收膽堿的機制，它還意味着日後可以借助于這個吸收過程，開發更多可以進入大腦的藥物。
▲ 論文首頁截圖
近20年來，科學家一直在尋找膽堿的潛在轉運蛋白，但是迄今為止，可以确定的膽堿轉運蛋白隻有兩個，一個是幾乎隻在膽堿能神經元中表達的ChT（又稱SLC5A7）[2]；另一種是近兩年确定的FLVCR1，它在大多數細胞類型中都有表達，但在腦内皮細胞中表達量卻不高[3-5]。
從名字上就可以看出，FLVCR1和FLVCR2可能是“一家人”，不過二者其實是近親，同源性僅為55%。與FLVCR1不同，FLVCR2主要在血腦屏障的内皮細胞中表達。雖然有一些研究發現FLVCR2對腦血管生成和大腦正常發育至關重要，但是FLVCR2的真正生理功能仍不為人所知。
FLVCR1的膽堿轉運蛋白身份在2023年被揭示之後[3,4]，近親FLVCR2的功能也就呼之欲出了。Mancia團隊很快就基于小鼠模型證明，FLVCR2确實隻存在于所有腦血管節段（動脈、毛細血管和靜脈）的内皮細胞中。
而且FLVCR2在腦内皮細胞質膜的兩側都有表達，其中管腔那一側的細胞膜表達水準相對較高。他們在成人大腦中也發現了類似的分布。從表達部位上來看，FLVCR2确實處于将膽堿從血液吸收進大腦的理想位置。
▲ FLVCR2的空間分布
接下來就是探索FLVCR2究竟能不能轉運膽堿了。
Mancia團隊開發了FLVCR2編碼基因Flvcr2被條件性敲除的小鼠模型（Flvcr2-cKO），然後觀察被放射性标記的膽堿在體内的吸收情況。結果很明顯，在腦血管密度、形态和屏障功能完好無損的情況下，基因缺失小鼠大腦吸收膽堿顯著減少。
基于體外細胞系的研究也證明了上述發現，所有的證據都表明，FLVCR2确實是血腦屏障中的膽堿轉運蛋白，負責大腦對膽堿的吸收。此外，FLVCR2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）更容易結合膽堿。
▲ 血腦屏障中FLVCR2的示意圖
在研究的最後，Mancia團隊借助冷凍電鏡，研究了FLVCR2轉運膽堿時，二者之間的互相作用位點。
簡單來說，作為主要協同轉運蛋白超家族的一員，FLVCR2轉運膽堿的過程與其他轉運蛋白轉運底物類似。當膽堿要穿過血腦屏障時，FLVCR2會打開内皮細胞血管腔一側，閉合胞内一側；随後膽堿進入腔内與特定位點相結合，引起FLVCR2構象變化——胞内一側打開的同時，胞外一側關閉，并完成膽堿的運輸。
關于這一過程，在Mancia團隊的論文見刊的3周之後，由德國馬克斯·普朗克生物實體研究所Schara Safarian、Di Wu和Gerhard Hummer，以及新加坡國立大學Long N. Nguyen領銜的團隊，在《自然》上發表的另一篇研究成果，更詳細地揭示了FLVCR2轉運膽堿的過程[6]。
▲ FLVCR2轉運膽堿的過程[6]
總的來說，Mancia團隊這項研究首次确定了大腦吸收膽堿的關鍵轉運蛋白，破解了困擾學界長達半個多世紀的謎題。這一發現也為靶向大腦藥物的開發，提供了新思路。
此外，這個研究還提醒我們，要多吃富含膽堿的食物（如雞蛋、蔬菜、肉類、堅果和豆類等），畢竟大腦非常需要膽堿，而且還為此準備了一套專門的吸收系統。
參考文獻：
[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