人民網(wǎng)北京7月16日電（記者趙永新）繼去年在世界上第一次解析出人源次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的三維晶體結(jié)構(gòu)后，清華大學(xué)顏寧研究組又獲得新的重大突破：獲得了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT3處于不同構(gòu)象的3個(gè)高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，并通過與之前該組解析的GLUT1的結(jié)構(gòu)比對(duì)，完整揭示了葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白底物識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)理，為基于結(jié)構(gòu)的小分子設(shè)計(jì)提供了直接依據(jù)。
7月15日，《自然》（Nature）在線發(fā)表了相關(guān)文章《葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)底物的分子基礎(chǔ)》（Molecular Basis of ligand recognition and transport by glucose transporters）。清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士后鄧東和一年級(jí)博士生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。
葡萄糖是地球上各種生物最主要的能源物質(zhì)，為生長(zhǎng)代謝提供能量，并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(jìn)出細(xì)胞需要依靠膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成。主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily, MFS）中的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUTs在此過程中至關(guān)重要。人體中的GLUTs共有14種，目前研究比較清楚的是GLUT1、2、3、4（簡(jiǎn)稱GLUT1-4）。它們負(fù)責(zé)向人體的不同組織轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖，比如GLUT1主要負(fù)責(zé)葡萄糖進(jìn)入紅細(xì)胞和跨越血腦屏障，GLUT2主要在肝、脾、小腸等內(nèi)臟細(xì)胞中發(fā)揮作用，GLUT3負(fù)責(zé)為神經(jīng)系統(tǒng)攝取葡萄糖，GLUT4則是肌肉和脂肪組織的主要葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。此外，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)GLUT1和GLUT3在多種實(shí)體瘤中超量表達(dá)，這是由于腫瘤細(xì)胞的快速增殖使其處于缺氧環(huán)境中，無氧條件下依靠糖酵解產(chǎn)生的ATP（三磷酸腺苷）不到有氧代謝環(huán)境下的十分之一，因此腫瘤細(xì)胞需要大量表達(dá)GLUTs以滿足葡萄糖的超量攝入，這一現(xiàn)象被稱為“沃伯格效應(yīng)”（“Warburg effect”）。這一現(xiàn)象使得GLUT1和GLUT3成為潛在的腫瘤細(xì)胞標(biāo)志物，具有重要的診斷價(jià)值。此外，前期實(shí)驗(yàn)顯示，一些GLUT1轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑在抑制小鼠腫瘤生長(zhǎng)方面表現(xiàn)出較好的效果，使得GLUTs成為潛在的腫瘤治療靶點(diǎn)。因此，GLUTs的結(jié)構(gòu)生物學(xué)及生物化學(xué)研究將為這一潛在應(yīng)用提供重要的分子基礎(chǔ)。
過去8年來，顏寧教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組一直致力于系統(tǒng)揭示GLUTs的結(jié)構(gòu)與工作機(jī)理。2012年，她領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)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復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，并通過同源建模首次描繪出GLUTs的大致結(jié)構(gòu)，為研究GLUTs的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理研究提供了重要線索。此后，該團(tuán)隊(duì)聚焦于極富挑戰(zhàn)性的人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1-4的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究，并于2014年初解析了具有近一個(gè)世紀(jì)研究歷史、備受關(guān)注的人源GLUT1的三維結(jié)構(gòu)，這也是第一個(gè)人源次級(jí)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。
據(jù)顏寧介紹，GLUT1的結(jié)構(gòu)處于向胞內(nèi)開放的狀態(tài)，只是GLUTs蛋白在行使轉(zhuǎn)運(yùn)功能過程中眾多構(gòu)象的一種。為揭示整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)過程，獲得GLUTs處于其他不同轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)信息至關(guān)重要；為了理解底物識(shí)別，則需獲得GLUTs與底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。針對(duì)這些問題，顏寧研究組精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用膜蛋白脂立方相（Lipidic Cubic Phase, LCP） 結(jié)晶和微聚焦X-射線衍射，最終解析出人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT3處于3種不同狀態(tài)的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)。其中GLUT3與底物分子葡萄糖的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)處于朝向胞外閉合的狀態(tài)，分辨率高達(dá)1.5埃，是目前為止分辨率最高的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白結(jié)構(gòu)。這一超高分辨率首次清晰地表明，GLUT3可以識(shí)別葡萄糖α和β兩種異構(gòu)體。
為進(jìn)一步得到GLUT3蛋白向胞外開放的構(gòu)象，研究組推測(cè)加入競(jìng)爭(zhēng)性抑制分子麥芽糖或者纖維二糖之后，可能將GLUT3穩(wěn)定于面向胞外的構(gòu)象。此后的生化實(shí)驗(yàn)證明了這一猜測(cè)，最終研究組獲得了GLUT3與麥芽糖結(jié)合的向胞外開放和向胞外閉合兩種狀態(tài)下的晶體結(jié)構(gòu)。至此，通過進(jìn)一步比較GLUT1向胞內(nèi)開放的結(jié)構(gòu)，GLUT家族蛋白通過交替開放（alternating access）轉(zhuǎn)運(yùn)底物的整個(gè)過程已經(jīng)基本呈現(xiàn)在人們的眼前。這不但是對(duì)于GLUTs家族轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制研究的突破性進(jìn)展，也為轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白領(lǐng)域和膜蛋白結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的研究起到了導(dǎo)向作用。同時(shí)，高分辨率GLUT3與底物結(jié)合的結(jié)構(gòu)也為今后的小分子抑制劑的設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。
此項(xiàng)研究得到科技部重大研究計(jì)劃的資助。顏寧是清華大學(xué)拜耳講席教授，并獲得美國(guó)HHMI國(guó)際青年科學(xué)家、國(guó)家自然科學(xué)基金委杰出青年基金和中組部首批青年拔尖創(chuàng)新人才計(jì)劃的支持。
