清華新聞網7月16日電 7月15日，清華大學醫學院顏寧研究組在《自然》（Nature）在線發表題為《葡萄糖轉運蛋白識別與轉運底物的分子基礎》（Molecular Basis of ligand recognition and transport by glucose transporters）的長文（Article），報導了人源葡萄糖轉運蛋白GLUT3處於不同構象的3個高解析度晶體結構，並通過與之前該組解析的GLUT1的結構比對，完整揭示了葡萄糖轉運蛋白底物識別與轉運的分子機理，為基於結構的小分子設計提供了直接依據。生命科學聯合中心博士後（醫學院）鄧東和一年級博士生（生命學院）孫鵬程為本文的共同第一作者，顏寧教授為本文的通訊作者。
這是顏寧研究組繼7月10日在《科學》（Science）發表題為《分枝桿菌Insig同源蛋白晶體結構揭示Insig蛋白感受固醇的分子機制》（Crystal structure of a mycobacterial Insig homolog provides insight into how these sensors monitor sterol levels）的研究論文之後近期又一篇在頂級期刊發表的論文。
（左圖)人源葡萄糖轉運蛋白GLUT3處於不同狀態的3個晶體結構。
(右圖）迄今已獲得的葡萄糖轉運蛋白GLUTs的晶體結構以及在此基礎上進一步完善的GLUTs工作模型。
葡萄糖是地球上各種生物最主要的能源物質，為生長代謝提供能量，並且作為前體參與合成其他生命組成大分子。葡萄糖分子高度親水，無法自由通過疏水的生物膜，其進出細胞需要依靠膜上的轉運蛋白完成。主要協同轉運蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily, MFS）葡萄糖轉運蛋白GLUTs在此過程中至關重要。人體中的GLUTs共有14種，目前研究較清楚的是GLUT1,2,3,4（簡稱GLUT1-4），它們負責向人體的不同組織轉運葡萄糖，比如GLUT1主要負責葡萄糖進入紅細胞和跨越血腦屏障，GLUT2主要在肝、脾、小腸等內臟細胞中發揮作用，GLUT3負責為神經系統攝取葡萄糖，GLUT4則是肌肉和脂肪組織的主要葡萄糖轉運蛋白。此外，越來越多的研究發現GLUT1和GLUT3在多種實體瘤中超量表達。這是由於腫瘤細胞的快速增殖使其處於缺氧環境中，無氧條件下依靠糖酵解產生的ATP比有氧代謝少了10倍以上，因此腫瘤細胞需要大量表達GLUTs以滿足葡萄糖的超量攝入，這就是被稱為「沃伯格效應」（「Warburg effect」）的現象。這一現象使得GLUT1和GLUT3成為了潛在的腫瘤細胞標誌物，具有診斷價值。臨床上利用「正電子發射斷層掃描」（PET）監控氟代脫氧葡萄糖（FDG）在人體組織中的分布以監控葡萄糖代謝和腫瘤成像，FDG也是通過GLUTs進入細胞。此外，前期實驗顯示一些GLUT1轉運抑制劑在抑制小鼠腫瘤生長方面表現出較好的效果，使得GLUTs成為了潛在的腫瘤治療靶點。因此，GLUTs的結構生物學及生物化學研究將為這一潛在應用提供重要的分子基礎。
顏寧教授領導的研究組過去8年致力於系統揭示GLUTs的結構與工作機理。2012年，她領導的團隊解析了GLUTs大腸桿菌同源蛋白XylE與底物分子木糖及抑制劑葡萄糖的複合物晶體結構，並通過同源建模首次描繪出GLUTs的大致結構，為研究GLUTs的轉運機理研究提供了重要線索（http://www.nature.com/nature/journal/v490/n7420/abs/nature11524.html）。自此以後，她們聚焦於極富挑戰性的人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4的結構生物學研究，並於2014年初解析了具有近一個世紀研究歷史、備受關注的人源GLUT1的三維結構（http://www.nature.com/nature/journal/v510/n7503/full/nature13306.html），這也是第一個人源次級轉運蛋白的晶體結構。
GLUT1的結構處於向胞內開放的狀態，是GLUTs蛋白在行使轉運功能過程中眾多構象的一種。為了揭示整個轉運過程，獲得GLUTs處於其他不同轉運狀態下的結構信息至關重要；為了理解底物識別，則需要獲得GLUTs與底物的複合物結構。針對這些問題，該研究組精心設計實驗，利用膜蛋白脂立方相(Lipidic Cubic Phase, LCP)結晶和微聚焦X-射線衍射，最終解析了人源葡萄糖轉運蛋白GLUT3處於3種不同狀態的高解析度晶體結構。其中GLUT3與底物分子葡萄糖的複合物晶體結構處於朝向胞外閉合的狀態，解析度高達1.5埃，是目前為止解析度最高的轉運蛋白結構。這一超高解析度首次清晰表明GLUT3可以識別葡萄糖α和β兩種異構體。
為了進一步得到GLUT3蛋白向胞外開放的構象，他們推測加入競爭性抑制分子麥芽糖或者纖維二糖之後，可能將GLUT3穩定於面向胞外的構象，這一猜測獲得生化實驗的支持。最終他們獲得了GLUT3與麥芽糖結合的向胞外開放和向胞外閉合兩種狀態下的晶體結構。至此，通過進一步比較GLUT1向胞內開放的結構，GLUT家族蛋白通過交替開放（alternating access）轉運底物的整個過程已經基本呈現在眼前。這不但是對於GLUTs家族轉運機制研究的突破性進展，也為轉運蛋白領域和膜蛋白結構生物學領域的研究起到了導向作用。同時，高解析度GLUT3與底物結合的結構也為今後的小分子抑制劑的設計提供了重要的理論基礎。
此項研究工作得到科技部重大研究計劃的資助。顏寧是清華大學拜耳講席教授，並獲得美國HHMI國際青年科學家、傑出青年基金和中組部首批青年拔尖創新人才計劃的支持。
供稿：醫學院 生命學院 編輯：襄樺 田心