清华颜宁最新Nature文章解析转运蛋白

　　

生物通报道 来自清华大学的研究人员发表了题为“Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1”的文章，报道了人类葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构。相关研究成果公布在Nature杂志上。

文章的通讯作者是清华大学的颜宁（Nieng Yan），2007年作为普林斯顿大学博士的颜宁受聘于清华大学医学院，成为清华最年轻的教授、博士生导师。在回国的几年间，颜宁教授研究组主要聚焦于膜蛋白、胆固醇代谢调控通路相关因子的结构生物学研究，在Science、Nature、Cell等杂志上发表多篇重要的论文，并荣获了中国青年女科学家奖、HHMI国际青年科学家奖等奖励。

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从低等微生物到高等动物如人类，葡萄糖代谢对于细胞维持正常生理功能有着至关重要的作用。但是葡萄糖无法自由通过由膦脂双分子层构成的疏水细胞膜，细胞对葡萄糖的摄入需要借助于细胞膜上的葡萄糖转运蛋白，其中一类属于主要协同转运蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily，简称MFS），是大脑、神经系统、红细胞、各个器官中最重要的葡萄糖转运蛋白（glucose transporters,简称GLUT）。

GLUT1是MFS葡萄糖转运蛋白亚家族成员。GLUT1由SLC2A1编码，广泛表达于多种组织细胞调节葡萄糖摄取。尤其是它对葡萄糖分子具有很高的亲和力，因此在相对低浓度的状态下也能转运葡萄糖分子，是介导葡萄糖经过血脑屏障的主要转运蛋白。血脑屏障内皮细胞中的GLUT1对大脑和其他器官的葡萄糖供应起至关重要的作用。

失活性突变会导致GLUT1葡萄糖转运活性受损，使得大脑缺乏能量供应而引发相关人类疾病。GLUT1缺陷综合征（又称作为De Vivo综合征）具有早发性癫痫、小头畸形和发育迟缓等一系列的症状特征。由于无氧糖酵解是一种较低效率的能量获取方式，癌细胞必须更加努力地获取更多的食物，尤其是葡萄糖来维持生存。以往的研究在几种癌细胞类型中均观察到GLUT1表达水平增高，确定了GLUT1是肿瘤发生的一个重要预后指标。由于其重要的生理和病理作用，GLUT1成为了当前功能和结构测定研究的一个热点。

在这篇文章中，研究人员报告了分辨率为3.2埃的人类GLUT1晶体结构。捕获的全长GLUT1蛋白呈现一种向内开放的构象，并表现出典型的MFS家族折叠方式——由12个跨膜螺旋组成N端和C端两个以假两次轴对称的结构域。这种结构使得研究人员能够精确地绘制出GLUT1中致病突变结构图谱，并阐明其潜在机制。

在以往的研究中，颜宁课题组曾获取了GLUT1-4在大肠杆菌中的同源蛋白XylE的结构。XylE在肠杆菌中负责将D-木糖以质子依赖的方式同向转运进入细胞（延伸阅读：清华颜宁Nature发表新研究成果）。在这篇文章中，研究人员将GLUT1与XylE的结构进行了对比，从而为理解协助扩散单向转运体及质子驱动的协同转运体的转运机制奠定了基础。

获得GLUT1、XylE和GlcP的结构为从结构和机制上了解参与各种生物学过程及与许多生物技术应用相关的这一MFS葡萄糖转运家族提供了重要的新见解。此外，新研究结果也为开发出靶向GLUT1和其他生理上重要的MFS葡萄糖转运蛋白的潜在治疗药物提供了指导准则。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1

The glucose transporter GLUT1 catalyses facilitative diffusion of glucose into erythrocytes and is responsible for glucose supply to the brain and other organs. Dysfunctional mutations may lead to GLUT1 deficiency syndrome, whereas overexpression of GLUT1 is a prognostic indicator for cancer. Despite decades of investigation, the structure of GLUT1 remains unknown. Here we report the crystal structure of human GLUT1 at 3.2 Å resolution. The full-length protein, which has a canonical major facilitator superfamily fold, is captured in an inward-open conformation. This structure allows accurate mapping and potential mechanistic interpretation of disease-associated mutations in GLUT1. Structure-based analysis of these mutations provides an insight into the alternating access mechanism of GLUT1 and other members of the sugar porter subfamily. Structural comparison of the uniporter GLUT1 with its bacterial homologue XylE, a proton-coupled xylose symporter, allows examination of the transport mechanisms of both passive facilitators and active transporters.