研究揭示糖转运蛋白结构与机理

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2012年10月18日，清华大学医学院教授、生命科学学院兼职教授颜宁，带领其研究组在Nature以Research Article的形式发表了题为《Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4》的研究论文，报道了人的葡萄糖转运蛋白GLUT1-4在大肠杆菌中的同源蛋白XylE的晶体结构，并且运用生化手段对其工作机理进行了研究。

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）。这类葡萄糖转运蛋白家族包含多个成员，其中科学家对GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4这四个蛋白研究最为深入，且证实与多种人类疾病的发生密切相关，如婴儿癫痫发作、Fanconi-Bickel综合症、糖尿病、肥胖等。但是目前对于这一类重要蛋白的结构信息知之甚少。

颜宁教授领导的研究组一直将人体葡萄糖转运蛋白及其在各物种中同源蛋白的结构与功能研究作为主要方向。经过多年努力，她们首先获得了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。它与人的GLUT1-4蛋白有着高达50%的序列相似性，进化上高度保守。XylE蛋白的三维晶体结构呈现出典型的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。与已知结构的MFS超家族其它成员不同，XylE呈现出一种向细胞外侧开放、部分封闭的全新构象，并且具有一个独特的由4个α螺旋组成的胞内结构域。她们获得了XylE与底物D-木糖，抑制剂D-葡萄糖，以及一种葡萄糖衍生物的三个复合物的结构，找到了与底物结合的重要氨基酸残基，并通过生化实验分析，验证了这些残基在底物识别与转运过程中起到的作用。尤为重要的是，序列比对显示这些残基在GLUT1-4中完全保守，从而第一次揭示出GLUT1-4识别底物的分子基础。利用计算机软件同源建模，研究组搭建了人的GLUT1蛋白的三维结构。这一结构模型由于是以具有高度同源的XylE蛋白的晶体结构为基础，比以往研究报道的结果（如写入第5版Lehninger Principles of Biochemistry教科书的GLUT1跨膜模型）更为准确。根据这个结构模型，研究组进一步研究了GLUT1-4与相关人类疾病相关的突变残基的功能与致病机理。

这一研究是颜宁教授组继2010年在Nature上发表的FucP蛋白的晶体结构之后，对MFS蛋白超家族结构和功能研究的又一重要成果，丰富了我们对于MFS超家族的认识和理解。该研究与医学院饶燏教授密切合作，主要由生命学院的博士研究生孙林峰和曾昕完成。

值得一提的是，这是今年颜宁研究组继5月份发表电压门口钠离子通道的结构之后，在膜蛋白研究方面的又一重要进展。Nature专门为这篇论文配发了新闻评论(News & Views).（来源：清华大学）