葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白

2014年5月18日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授顏寧研究組在Nature在線發(fā)表了題為"CrystalstructureofthehumanglucosetransporterGLUT1研究論文，在世界上首次報(bào)道了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)，初步揭示其工作機(jī)制以及相關(guān)疾病的致病機(jī)理。葡萄糖（D-glucose）是地球上包括從細(xì)菌到人類各種生物已知最重要、最基本的能量來源。葡萄糖代謝的第一步就是進(jìn)入細(xì)胞：親水的葡萄糖不能自由穿透疏水的細(xì)胞膜，其進(jìn)出細(xì)胞需要通過鑲嵌于細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成。其中一類屬于主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族（MajorFacilitatorSuperfamily，簡稱MFS）的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是大腦、神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉、紅細(xì)胞等組織器官中最重要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucosetransporters，簡稱GLUTs）。在人體的14個(gè)GLUTs中，GLUT1、2、3、4這四種蛋白生理功能最重要，研究最廣泛，其中GLUT1因發(fā)現(xiàn)最早而得名。GLUT1幾乎存在于人體每一個(gè)細(xì)胞中，是紅細(xì)胞和血腦屏障等上皮細(xì)胞的主要葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，對(duì)于維持血糖濃度的穩(wěn)定和大腦供能起關(guān)鍵作用。在已知的人類遺傳疾病中，導(dǎo)致GLUT1功能異常的突變會(huì)影響葡萄糖的正常吸收，導(dǎo)致大腦萎縮、智力低下、發(fā)育遲緩、癲癇等一系列疾病。另一方面，當(dāng)發(fā)生癌變時(shí)，葡萄糖是腫瘤細(xì)胞最主要的能量來源，但是腫瘤細(xì)胞由于缺乏氧氣供應(yīng)而只能對(duì)葡萄糖進(jìn)行無氧代謝，同質(zhì)量葡萄糖所提供的能量不到正常細(xì)胞的10%，因而對(duì)葡萄糖的需求劇增，在很多種類的腫瘤細(xì)胞中都觀察到GLUT1的超量表達(dá)，以大量攝入葡萄糖維持腫瘤細(xì)胞的生長擴(kuò)增，這使得GLUT1的表達(dá)量可能作為檢測(cè)癌變的一個(gè)指標(biāo)。自從獲得了大量生理、病理、細(xì)胞、生化信息之后，獲取GLUT1的三維結(jié)構(gòu)就變成了該領(lǐng)域最期待的下一個(gè)突破。顏寧研究組在2012年首次解析了GLUTs的大腸桿菌同源蛋白XylE與葡萄糖結(jié)合的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并利用同源建模預(yù)測(cè)了GLUT1-4的三維結(jié)構(gòu)；時(shí)至今日，人源GLUT1蛋白的晶體結(jié)構(gòu)的捕獲為理解這個(gè)具有歷史研究意義的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白掀開了新的一章。利用上海光源生物大分子晶體學(xué)線站（BL17U1）顏寧研究組最終解析了GLUT1的三維晶體結(jié)構(gòu)°GLUT1呈現(xiàn)經(jīng)典的MFS家族折疊方式——12個(gè)跨膜螺旋組成N端和C端兩個(gè)結(jié)構(gòu)域。兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間的腔孔朝向胞內(nèi)區(qū)，即該結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)向內(nèi)開放構(gòu)象。而在結(jié)晶中用到的去污劑頭部恰好是葡萄糖苷，其結(jié)合位點(diǎn)與此前XylE中觀測(cè)到的葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)基本重合，證實(shí)了MFS家族具有單一結(jié)合位點(diǎn)。有趣的是，GLUT1在胞內(nèi)可溶區(qū)還具有一個(gè)由4個(gè)a螺旋組成的結(jié)構(gòu)域（簡稱ICH），這一序列只在MFS中的糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白亞家族中（SugarPortersubfamily）觀察到，因此ICH是屬于該家族蛋白的特有結(jié)構(gòu)特征。利用GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)可以精確地定位與疾病相關(guān)的突變氨基酸，揭示其致病機(jī)理。分析顯示，三十余個(gè)突變氨基酸基本集中于三個(gè)區(qū)域：底物結(jié)合區(qū)域、胞外門控區(qū)、胞內(nèi)門控區(qū)，它們的突變或者影響了底物識(shí)別，或者影響轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的構(gòu)象變化。晶體結(jié)構(gòu)使得理解這些致病突變的機(jī)理一目了然。與之前獲得的向胞外半開口的XylE晶體結(jié)構(gòu)比較揭示出

ICH在GLUT1的構(gòu)象變化中起關(guān)鍵作用。鑒于ICH在糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白亞家族的保守性，這一發(fā)現(xiàn)可能適用于該亞家族所有成員。至此，顏寧實(shí)驗(yàn)室分別捕獲了FucP向胞外開放，XylE結(jié)合底物半開放，GLUT1向胞內(nèi)開放的三個(gè)