甲状腺激素转运蛋白MCT8的冷冻电镜结构解析及其转运抑制机制研究

《Nature Communications》：Structural insights into thyroid hormone transporter MCT8

中国科学院研究人员通过冷冻电镜技术解析了甲状腺激素转运蛋白MCT8与底物T3及抑制剂silychristin结合的3.0-3.2 ?高分辨率结构，揭示了其独特的二聚化界面脂质锚定机制和底物识别特征，为理解Allan-Herndon-Dudley综合征（AHDS）的致病机理及开发靶向治疗策略提供了重要结构基础。

　　

甲状腺激素（THs）是调控组织发育和基础代谢的关键分子，其跨膜转运依赖于特定的膜蛋白。其中，单羧酸转运蛋白8（MCT8/SLC16A2）因对甲状腺激素具有高度选择性和亲和力而备受关注。更引人注目的是，MCT8的致病性突变直接导致Allan-Herndon-Dudley综合征（AHDS）——一种以智力障碍和运动控制受损为特征的罕见遗传病。尽管MCT8的生理重要性已被确认，但长期以来，其精确的转运机制、二聚化特征以及抑制剂作用模式等关键科学问题仍悬而未决。这些知识空白严重制约了针对MCT8缺陷相关疾病的治疗策略开发。

为攻克这些难题，中国科学院的研究团队采用冷冻电镜（cryo-EM）技术，成功解析了人源MCT8与天然底物三碘甲状腺原氨酸（T3）及抑制剂水飞蓟素（silychristin）结合的高分辨率结构（3.0-3.2 ?），相关成果发表于《Nature Communications》。该研究不仅首次揭示了MCT8以N端结构域（NTD）介导的二聚化模式及界面脂质分子的关键作用，还精确描绘了T3识别口袋中三个碘原子特定位点的空间排布，并阐明了水飞蓟素通过竞争性结合Arg371实现抑制的分子机制。这些发现为理解甲状腺激素转运的分子基础提供了里程碑式的结构见解，也为开发针对AHDS等甲状腺相关疾病的精准疗法奠定了重要基础。

研究团队主要运用了以下关键技术：在HEK293F细胞中瞬时表达C端带有FLAG标签的MCT8蛋白，通过抗FLAG亲和层析和尺寸排阻色谱（SEC）进行纯化；采用冷冻电镜解析了T3和水飞蓟素结合的MCT8结构；利用微尺度热泳动（MST）测定蛋白-抑制剂结合亲和力；通过甲状腺激素摄取实验验证关键残基功能；结合蓝绿原生电泳（BN-PAGE）和凝胶过滤分析二聚化状态。

结构解析显示，MCT8呈现典型的主要易化超家族（MFS）折叠，其12个跨膜螺旋（TM）分为N端和C端两个六螺旋束结构域。出乎意料的是，二聚化界面存在一个呈现"骑马式"构象的脂质分子，其磷酸基团与每个单体中的Arg171形成氢键，而两条疏水尾部分别插入由Ile172和Leu278构成的疏水裂隙中。这种独特的"脂质锚定"二聚化模式在已知膜蛋白结构中极为罕见。通过系统突变分析发现，虽然破坏二聚化的突变（如F182A、H186A和F271A）会使MCT8以单体形式存在，但令人惊讶的是，这并不显著影响其体外T3转运活性，暗示二聚化可能主要影响蛋白的膜定位稳定性而非直接参与转运过程。

在底物识别机制方面，3.13 ?分辨率的T3结合结构显示，其羧基与TM8上的Arg371形成电荷相互作用，三个碘原子则分别嵌入三个特征性疏水腔：3-碘原子腔（Tyr335/Phe427/Ile428等）、3'-碘原子腔（Met431/Ala432/Leu452等）和5-碘原子腔（Phe115/Phe155/Phe213）。这种精密的"三碘识别"系统完美解释了MCT8对T3>T4>rT3≈T2的选择性层级。细胞摄取实验证实，破坏这些关键相互作用（如R371A突变）会完全丧失转运功能，与AHDS患者临床表现高度吻合。

关于抑制剂机制，研究发现水飞蓟素的二氢色原酮环竞争性占据T3结合位点，同样依赖与Arg371的相互作用，其结合亲和力（K_d≈31 nM）与抑制效力（IC₅₀=110 nM）相符。结构分析揭示该分子通过三个芳香环分别与不同亚口袋相互作用：二氢色原酮环与Arg371/Ser239/Asn111结合，二氢苯并呋喃环与Asn119/GDN分子作用，苯环则与Met459形成碳基识别。这些精细的相互作用图谱为评估水飞蓟素临床使用的潜在甲状腺轴副作用提供了分子依据。

在讨论部分，研究者特别强调了三个重要发现：首先，MCT8的二聚化模式显著区别于MCT1/2等其他家族成员，其界面脂质的发现为设计促进二聚化的"分子胶"类药物提供了新思路；其次，T3识别中三个碘腔的发现不仅解释了底物选择性，还为理解近百个AHDS相关突变（如R371S/C）的致病机制提供了结构框架；最后，水飞蓟素结合位点的解析既警示了其临床使用的潜在风险，也为开发靶向甲状腺轴的抑制剂开辟了新途径。

这项研究通过高分辨率结构生物学手段，首次完整描绘了MCT8从二聚化组装、底物识别到抑制剂作用的分子全景图。这些突破性发现不仅解决了甲状腺激素转运领域长期存在的关键科学问题，更为开发治疗AHDS的精准医疗策略（如增强血脑屏障转运的小分子或脂质样化合物）提供了不可替代的结构基础。随着对这些机制的深入理解和应用，或将改写甲状腺相关遗传病和代谢疾病的治疗格局。