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胆碱是重要的人体必需营养物质。
细胞膜的合成和神经信号的传递，都需要大量的胆碱。
大脑对胆碱的需求量非常大，而且无法有效地在体内从头合成，因此大脑所需的大部分胆碱都是从我们日常吃的食物中吸收。作为卵磷脂的重要组成部分，胆碱是如何被大脑吸收的这一问题，已经困扰了科学家半个多世纪。
前不久，由美国哥伦比亚大学Filippo Mancia和Rosemary J. Cater，以及加州大学旧金山分校Thomas Arnold领衔的研究团队，在顶级期刊《自然》上发表了一篇重磅研究论文[1]，解开了这个困扰科学家长达50多年的学术问题。
研究人员首次发现，主要协同转运蛋白超家族转运蛋白FLVCR2，是血脑屏障中主要的胆碱转运蛋白，大脑吸收的大部分胆碱都是通过FLVCR2完成的。他们还借助冷冻电镜，探索了FLVCR2转运胆碱的过程。
这一转运蛋白的发现，意义不仅仅在于发现了大脑吸收胆碱的机制，它还意味着日后可以借助于这个吸收过程，开发更多可以进入大脑的药物。
▲论文首页截图
近20年来，科学家一直在寻找胆碱的潜在转运蛋白，但是迄今为止，可以确定的胆碱转运蛋白只有两个，一个是几乎只在胆碱能神经元中表达的ChT（又称SLC5A7）[2]；另一种是近两年确定的FLVCR1，它在大多数细胞类型中都有表达，但在脑内皮细胞中表达量却不高[3-5]。
从名字上就可以看出，FLVCR1和FLVCR2可能是“一家人”，不过二者其实是近亲，同源性仅为55%。与FLVCR1不同，FLVCR2主要在血脑屏障的内皮细胞中表达。虽然有一些研究发现FLVCR2对脑血管生成和大脑正常发育至关重要，但是FLVCR2的真正生理功能仍不为人所知。
FLVCR1的胆碱转运蛋白身份在2023年被揭示之后[3,4]，近亲FLVCR2的功能也就呼之欲出了。Mancia团队很快就基于小鼠模型证实，FLVCR2确实只存在于所有脑血管节段（动脉、毛细血管和静脉）的内皮细胞中。
而且FLVCR2在脑内皮细胞质膜的两侧都有表达，其中管腔那一侧的细胞膜表达水平相对较高。他们在成人大脑中也发现了类似的分布。从表达部位上来看，FLVCR2确实处于将胆碱从血液吸收进大脑的理想位置。
▲FLVCR2的空间分布
接下来就是探索FLVCR2究竟能不能转运胆碱了。
Mancia团队开发了FLVCR2编码基因Flvcr2被条件性敲除的小鼠模型（Flvcr2-cKO），然后观察被放射性标记的胆碱在体内的吸收情况。结果很明显，在脑血管密度、形态和屏障功能完好无损的情况下，基因缺失小鼠大脑吸收胆碱显著减少。
基于体外细胞系的研究也证实了上述发现，所有的证据都表明，FLVCR2确实是血脑屏障中的胆碱转运蛋白，负责大脑对胆碱的吸收。此外，FLVCR2在碱性条件下（pH值7.5以上）比在酸性条件下（pH值7.5以下）更容易结合胆碱。
▲血脑屏障中FLVCR2的示意图
在研究的最后，Mancia团队借助冷冻电镜，研究了FLVCR2转运胆碱时，二者之间的相互作用位点。
简单来说，作为主要协同转运蛋白超家族的一员，FLVCR2转运胆碱的过程与其他转运蛋白转运底物类似。当胆碱要穿过血脑屏障时，FLVCR2会打开内皮细胞血管腔一侧，闭合胞内一侧；随后胆碱进入腔内与特定位点相结合，引起FLVCR2构象变化——胞内一侧打开的同时，胞外一侧关闭，并完成胆碱的运输。
关于这一过程，在Mancia团队的论文见刊的3周之后，由德国马克斯·普朗克生物物理研究所Schara Safarian、Di Wu和Gerhard Hummer，以及新加坡国立大学Long N. Nguyen领衔的团队，在《自然》上发表的另一篇研究成果，更详细地揭示了FLVCR2转运胆碱的过程[6]。
▲FLVCR2转运胆碱的过程[6]
总的来说，Mancia团队这项研究首次确定了大脑吸收胆碱的关键转运蛋白，破解了困扰学界长达半个多世纪的谜题。这一发现也为靶向大脑药物的开发，提供了新思路。
此外，这个研究还提醒我们，要多吃富含胆碱的食物（如鸡蛋、蔬菜、肉类、坚果和豆类等），毕竟大脑非常需要胆碱，而且还为此准备了一套专门的吸收系统。
参考文献：
[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