我国科学家揭示葡萄糖转运蛋白的工作机理

继去年在世界上第一次解析出人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的三维晶体结构后，清华大学颜宁研究组又获得重大进展：获得人源葡萄糖转运蛋白GLUT3处于不同构象的3个高分辨率晶体结构，并通过与GLUT1的结构比对，完整揭示出葡萄糖转运蛋白底物识别与转运的分子机理，为基于结构的小分子肿瘤药物设计提供了直接依据。

7月15日，《自然》杂志在线发表了相关文章《葡萄糖转运蛋白识别与转运底物的分子基础》，文章共同第一作者为清华大学生命科学联合中心博士后邓东、一年级博士生孙鹏程，通讯作者为颜宁。

葡萄糖是地球上各种生物最主要的能源物质，不仅为生长代谢提供能量，还参与合成其他生命组成大分子。葡萄糖分子进出细胞，需要依靠膜上的“搬运工”——葡萄糖转运蛋白GLUTs，人体中的GLUTs共有14种，目前研究比较清楚的是GLUT1、2、3、4（简称GLUT1—4）。过去8年来，颜宁研究组一直致力于系统揭示GLUTs的结构与工作机理。2014年初，研究组解析出人源GLUT1的三维结构，成为世界上第一个人源次级转运蛋白晶体结构。

据介绍，GLUT1的结构处于向胞内开放的状态，只是GLUTs蛋白在行使转运功能过程中众多构象的一种。为揭示整个转运过程，获得GLUTs处于其他不同转运状态下的结构信息至关重要；为理解GLUTs识别底物（参与生化反应的物质）的机理，则需获得它们与底物结合的复合物结构。颜宁研究组由此精心设计实验，利用膜蛋白脂立方相结晶和微聚焦X—射线衍射，最终解析出GLUT3处于3种不同状态的高分辨率晶体结构。其中GLUT3与底物分子葡萄糖的复合物晶体结构处于向胞外闭合的状态，分辨率高达1.5埃（1埃等于0.1纳米），是目前为止分辨率最高的转运蛋白结构。这一超高分辨率首次清晰地表明，GLUT3可以识别葡萄糖α和β两种异构体。

为进一步得到GLUT3蛋白向胞外开放的构象，研究组通过加入竞争性抑制分子麦芽糖或者纤维二糖，并最终获得了GLUT3与麦芽糖结合的向胞外开放和向胞外闭合两种状态下的晶体结构。至此，通过进一步比较GLUT1向胞内开放的结构，GLUTs家族蛋白通过交替开放转运底物的整个过程已基本清晰。