异源寡聚氨基酸转运蛋白复合体的结构与功能新见解

《SCIENCE ADVANCES》：Structural basis for the substrate recognition and transport mechanism of the human y+LAT1-4F2hc transporter complex

本研究聚焦于异源寡聚氨基酸转运蛋白（HATs）家族中的y+LAT1-4F2hc复合体，揭示其在不同构象下的结构特征及与底物结合的分子机制，为理解其在氨基酸运输中的作用及与赖氨酸尿蛋白耐受症（LPI）的关联提供了重要依据。

　　本研究深入探究了异源寡聚氨基酸转运蛋白（HATs）家族中的y⁺LAT1-4F2hc复合体的结构与功能。氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，在细胞内参与众多关键生物过程，而氨基酸转运蛋白在维持细胞氨基酸平衡中发挥着至关重要的作用。HATs家族由轻链和重链组成，通过二硫键连接，能够运输氨基酸、多胺和药物等物质。y⁺LAT1-4F2hc复合体是HATs家族的典型成员，其轻链y⁺LAT1负责底物特异性和运输活性，重链4F2hc则作为调节亚基，对转运蛋白的功能至关重要。该复合体在肾脏和肠道上皮细胞的基底侧膜中高表达，其基因突变可导致赖氨酸尿蛋白耐受症（LPI），这是一种罕见的代谢性疾病，表现为对赖氨酸、鸟氨酸和精氨酸等阳离子氨基酸的运输缺陷，患者会出现生长迟缓、食欲不振、肝脾肿大和严重骨质疏松等症状，目前尚无根治方法。为了深入理解y⁺LAT1-4F2hc复合体的运输机制及其与LPI发病机制的关联，研究人员利用冷冻电镜（cryo-EM）技术解析了该复合体在无底物（apo）状态和与天然底物（如亮氨酸Leu、赖氨酸Lys和精氨酸Arg）结合状态下的高分辨率结构，并通过分子动力学模拟进一步揭示了其运输机制。研究结果表明，y⁺LAT1中的Asp²⁴³残基在钠离子配位和底物选择性中起着关键作用，且该复合体对中性氨基酸和阳离子氨基酸的运输机制存在差异。这些发现不仅为理解HATs家族蛋白的底物识别和运输机制提供了重要见解，也为针对LPI的靶向治疗提供了潜在的干预靶点。该论文发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为相关领域的研究者提供了宝贵的参考。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，利用冷冻电镜（cryo-EM）技术解析了y⁺LAT1-4F2hc复合体在不同状态下的高分辨率结构，包括apo状态、与Leu、Lys和Arg结合的状态，分辨率达到3.7 ?、3.0 ?、3.3 ?和2.9 ?。其次，通过分子动力学（MD）模拟进一步研究了钠离子在底物运输中的作用，揭示了不同底物与转运蛋白之间的相互作用机制。此外，研究人员还利用微尺度热泳（MST）技术测定了复合体对不同底物的结合亲和力，并采用全细胞膜片钳记录技术研究了该复合体在哺乳动物细胞中的电生理特性，以评估其运输活性。

在研究结果方面，研究人员发现y⁺LAT1-4F2hc复合体在不同底物结合状态下展现出不同的构象特征。在Leu结合状态下，Asp²⁴³和Tyr³⁸⁹残基能够与钠离子配位，而在Lys和Arg结合状态下，这些残基则参与氢键相互作用，表明该复合体对中性氨基酸和阳离子氨基酸的运输机制存在差异。此外，通过结构比较发现，与LAT1-4F2hc复合体相比，y⁺LAT1-4F2hc复合体在底物结合时表现出独特的构象变化，特别是跨膜螺旋TM1和TM6的旋转，导致细胞外通道的开放。这些结构信息为理解HATs家族蛋白的运输机制提供了重要线索。

在讨论部分，研究人员提出了y⁺LAT1-4F2hc复合体的工作模型。该复合体通过在细胞外加载底物（可能为中性氨基酸与钠离子或单独的阳离子氨基酸），随后TM1b和TM6a的旋转关闭外向门。在从外向开放构象向外向封闭构象转变的过程中，TM1b和TM6a的旋转触发了门控残基Phe²³⁷关闭至封闭构象，同时TM10也发生明显移动，促进底物的转移。这一模型不仅揭示了y⁺LAT1-4F2hc复合体的运输机制，还为理解其在氨基酸平衡维持中的作用以及与LPI发病机制的关联提供了重要依据。此外，研究人员还对LPI相关突变进行了结构映射，发现这些突变分散在y⁺LAT1的整个序列中，可能通过影响底物结合路径、改变局部环境或影响二级结构和/或构象变化来影响运输活性。这些发现为未来针对LPI的治疗策略提供了潜在的靶点和理论基础。