2012年10月18日,，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院兼職教授顏寧,，帶領(lǐng)其研究組在Nature以Research Article的形式發(fā)表了題為Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4的研究論文，報(bào)道了人的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結(jié)構(gòu),，并且運(yùn)用生化手段對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了研究,。
從低等微生物到高等動(dòng)物如人類(lèi)，葡萄糖代謝對(duì)于細(xì)胞維持正常生理功能有著至關(guān)重要的作用,。但是葡萄糖無(wú)法自由通過(guò)由膦脂雙分子層構(gòu)成的疏水細(xì)胞膜,，細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝入需要借助于細(xì)胞膜上的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其中一類(lèi)屬于主要協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily,，簡(jiǎn)稱MFS）,，是大腦、神經(jīng)系統(tǒng),、紅細(xì)胞,、各個(gè)器官中最重要的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（glucose transporters,簡(jiǎn)稱GLUT）。這類(lèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族包含多個(gè)成員,，其中科學(xué)家對(duì)GLUT1,、GLUT2、GLUT3,、GLUT4這四個(gè)蛋白研究最為深入,，且證實(shí)與多種人類(lèi)疾病的發(fā)生密切相關(guān)，如嬰兒癲癇發(fā)作,、Fanconi-Bickel綜合癥,、糖尿病、肥胖等。但是目前對(duì)于這一類(lèi)重要蛋白的結(jié)構(gòu)信息知之甚少,。
顏寧教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組一直將人體葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白及其在各物種中同源蛋白的結(jié)構(gòu)與功能研究作為主要方向,。經(jīng)過(guò)多年努力，她們首先獲得了GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白,，XylE,，的結(jié)構(gòu)。XylE在腸桿菌中負(fù)責(zé)將D-木糖以質(zhì)子依賴的方式同向轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞,。它與人的GLUT1-4蛋白有著高達(dá)50%的序列相似性,，進(jìn)化上高度保守。XylE蛋白的三維晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的MFS家族折疊方式——由12個(gè)跨膜螺旋組成N端和C端兩個(gè)以假兩次軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)域,。與已知結(jié)構(gòu)的MFS超家族其它成員不同,，XylE呈現(xiàn)出一種向細(xì)胞外側(cè)開(kāi)放、部分封閉的全新構(gòu)象,，并且具有一個(gè)獨(dú)特的由4個(gè)α螺旋組成的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域,。她們獲得了XylE與底物D-木糖，抑制劑D-葡萄糖,，以及一種葡萄糖衍生物的三個(gè)復(fù)合物的結(jié)構(gòu),，找到了與底物結(jié)合的重要氨基酸殘基，并通過(guò)生化實(shí)驗(yàn)分析,，驗(yàn)證了這些殘基在底物識(shí)別與轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中起到的作用,。尤為重要的是，序列比對(duì)顯示這些殘基在GLUT1-4中完全保守,，從而第一次揭示出GLUT1-4識(shí)別底物的分子基礎(chǔ),。利用計(jì)算機(jī)軟件同源建模，研究組搭建了人的GLUT1蛋白的三維結(jié)構(gòu),。這一結(jié)構(gòu)模型由于是以具有高度同源的XylE蛋白的晶體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),，比以往研究報(bào)道的結(jié)果（如寫(xiě)入第5版Lehninger Principles of Biochemistry教科書(shū)的GLUT1跨膜模型）更為準(zhǔn)確。根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)模型,，研究組進(jìn)一步研究了GLUT1-4與相關(guān)人類(lèi)疾病相關(guān)的突變殘基的功能與致病機(jī)理,。
這一研究是顏寧教授組繼2010年在Nature上發(fā)表的FucP蛋白的晶體結(jié)構(gòu)之后，對(duì)MFS蛋白超家族結(jié)構(gòu)和功能研究的又一重要成果,，豐富了我們對(duì)于MFS超家族的認(rèn)識(shí)和理解,。該研究與醫(yī)學(xué)院饒燏教授密切合作，主要由生命學(xué)院的博士研究生孫林峰和曾昕完成,。
值得一提的是,，這是今年顏寧研究組繼5月份發(fā)表電壓門(mén)口鈉離子通道的結(jié)構(gòu)之后，在膜蛋白研究方面的又一重要進(jìn)展,。Nature專(zhuān)門(mén)為這篇論文配發(fā)了新聞評(píng)論(News & Views).（生物谷Bioon.com）
doi:10.1038/nature11524
PMC:
PMID:
Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1–4
Linfeng Sun, Xin Zeng, Chuangye Yan, Xiuyun Sun, Xinqi Gong, Yu Rao & Nieng Yan
Glucose transporters are essential for metabolism of glucose in cells of diverse organisms from microbes to humans, exemplified by the disease-related human proteins GLUT1, 2, 3 and 4. Despite rigorous efforts, the structural information for GLUT1–4 or their homologues remains largely unknown. Here we report three related crystal structures of XylE, an Escherichia coli homologue of GLUT1–4, in complex with d-xylose, d-glucose and 6-bromo-6-deoxy-d-glucose, at resolutions of 2.8, 2.9 and 2.6A, respectively. The structure consists of a typical major facilitator superfamily fold of 12 transmembrane segments and a unique intracellular four-helix domain. XylE was captured in an outward-facing, partly occluded conformation. Most of the important amino acids responsible for recognition of d-xylose or d-glucose are invariant in GLUT1–4, suggesting functional and mechanistic conservations. Structure-based modelling of GLUT1–4 allows mapping and interpretation of disease-related mutations. The structural and biochemical information reported here constitutes an important framework for mechanistic understanding of glucose transporters and sugar porters in general.
