人源尿酸转运蛋白URAT1的转运机制及尿酸排泄抑制药物的结构解析

高尿酸血症引发的痛风是全球性健康难题，尿酸转运蛋白URAT1是调控血清尿酸水平的关键靶点。北京大学陈磊团队通过冷冻电镜技术解析了hURAT1与底物尿酸及抑制剂苯溴马隆（benzbromarone）、verinurad的复合物结构（分辨率3.0-3.3 ?），首次揭示了URAT1通过"摇椅开关"机制转运尿酸的动态过程，并阐明抑制剂通过双重作用（竞争结合+构象锁定）阻断转运的分子机制。该研究为痛风治疗药物的优化设计提供了精准结构模板，发表于《Nature Communications》。

　　

高尿酸血症及其引发的痛风已成为现代社会的常见代谢性疾病，全球患者数量持续攀升。尿酸作为嘌呤代谢的终产物，其血清浓度过高会导致尿酸盐结晶在关节沉积，引发剧烈炎症反应。人体90%以上的尿酸通过肾脏近端小管上皮细胞的尿酸转运蛋白1（URAT1/SLC22A12）重吸收回血液，这使得URAT1成为调控尿酸平衡的核心靶点。尽管临床上使用苯溴马隆等URAT1抑制剂治疗痛风已有数十年，但由于缺乏高分辨率结构信息，药物作用机制始终存在盲区，严重制约了新一代高效低毒抑制剂的开发。

为破解这一难题，北京大学的研究团队通过冷冻电镜技术首次捕捉到人源URAT1在不同功能状态下的精细结构。研究采用创新的共识设计策略，对野生型hURAT1_WT进行15处外围突变，获得表达量和稳定性显著提升的工程化变体hURAT1_EM（保留97%序列一致性）。通过单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了hURAT1与天然底物尿酸结合的"外向开放"构象（3.34 ?），以及与抑制剂苯溴马隆（2.99 ?）、verinurad（3.21 ?）结合的"内向开放"构象。研究还结合细胞水平的功能实验，系统验证了关键氨基酸残基的分子作用。

尿酸结合位点的结构特征
在尿酸结合结构中，研究者发现尿酸分子被5个苯丙氨酸（F241、F360、F364、F365、F449）构成的疏水笼包裹，其带负电的2'-氧原子与R477形成盐桥，8'-羟基与K393产生极性作用。功能实验证实，这些关键残基的突变会显著降低URAT1的转运活性，其中R477和K393的突变与临床发现的肾性低尿酸血症患者突变位点完全吻合，从结构生物学角度解释了遗传性疾病的致病机制。

抑制剂的分子作用机制
结构比较显示，苯溴马隆和verinurad均占据尿酸结合位点，但诱导URAT1稳定在"内向开放"构象。苯溴马隆的乙基苯并呋喃基团与F360等残基形成疏水相互作用，其羟基与Q473形成氢键网络；verinurad的萘环则与F241产生π-π堆积，氰基与K393结合。特别值得注意的是，两种抑制剂不仅通过空间位阻阻止尿酸结合，更通过结构性碰撞（苯溴马隆与F449、verinurad与R447的空间冲突）彻底阻断URAT1向"外向开放"构象转变，揭示了"双重抑制"的创新机制。

构象变化的分子开关
通过比较不同构象的结构差异，研究团队首次描绘出URAT1的转运循环：在"外向开放"构象时，NTD（N端结构域）与CTD（C端结构域）的胞质侧通过R465-E223等盐桥网络闭合胞质门；转换为"内向开放"构象时，这些相互作用被破坏，转而形成K145-D370等新的极性相互作用闭合胞外门。这种类似"摇椅开关"的刚性运动，与其他主要易化超家族（MFS）转运蛋白的经典机制一致，但URAT1特有的动态盐桥网络为其赋予了底物特异性。

这项研究的意义不仅在于填补了URAT1结构机制的空白，更为痛风药物的精准设计提供了多重启示：首先，明确揭示了抑制剂结合口袋的拓扑特征，包括疏水笼、极性相互作用网络等关键药效团；其次，发现的构象锁定机制为开发非竞争性抑制剂提供了新思路；最后，工程化变体hURAT1_EM的成功构建为后续药物筛选建立了可靠平台。该研究发表的同期，另有两项URAT1结构研究见刊，但北京大学团队的数据在生理pH条件下获得，更真实反映了体内状态，特别是尿酸结合构象的差异提示pH可能影响配体结合模式，这一发现对指导药物设计具有重要价值。

随着全球痛风发病率持续上升，传统URAT1抑制剂的肝毒性问题日益凸显。此项研究通过原子水平的机制解析，为开发靶向性更强、副作用更小的新一代抗痛风药物奠定了坚实基础，未来或可基于这些结构信息设计出能够区分URAT1亚构象的状态依赖性抑制剂，实现更精准的代谢调控。