人源葡萄糖转运蛋白GLUT的晶体结构 - 图文

MFS 超家族蛋白结构特征. 图中显示的是属于MFS 蛋白家族的XylE 的结构. XlyE 具有经典的12 跨膜螺旋的MFS fold. 其中跨膜螺旋TM1-3 和TM4-6 形成“3+3”反转重复, 构成了XylE 的N 端结构域; 跨膜螺旋TM7-9 和TM10-12 也具有类似反转重复特性, 它们构成了XylE 的C 端结构域; 部分MFS 家族转运蛋白像XylE 一样还存在胞内结构域

构域的糖转运蛋白SemiSWEET, 它们在细胞膜上可能形成多聚体行使功能. 可能从进化上来讲, MFS超家族蛋白是由3次跨膜蛋白融合形成.除了跨膜结构域外, 部分MFS超家族蛋白还具有胞内结构域. 以XylE和GLUT1为例, 在胞内区域还存在几个由-螺旋组成的胞内结构域.螺旋中的多个带电荷氨基酸残基会与跨膜结构域上的氨基酸残基产生相互作用, 底物转运实验也已经证实这些位置上的突变会影响转运. 进行序列比对发现, 这些氨基酸残基在所有的糖转运蛋白中都十分保守, 说明这个结构域在该家族中保守, 并发挥重要功能 GLUT1的三维晶体结构呈现经典的MFS家族折叠方式----12个跨膜螺旋组成N端和C端两个结构域。两个结构域之间的腔孔朝向胞内区，即该结构呈现向内开放构象。而在结晶中用到的去污剂头部恰好是葡萄糖苷，其结合位点与此前XylE中观测到的葡萄糖结合位点基本重合，证实了MFS家族具有单一结合位点。有趣的是，GLUT1在胞内可溶区还具有一个由4个α螺旋组成的结构域（简称ICH），这一序列只在MFS中的糖转运蛋白亚家族中(Sugar Porter subfamily)观察到，因此ICH是属于该家族蛋白的特有结构特征。 二、转运机制

MFS超家族转运蛋白包含共转运蛋白(co-transporter)和协助转运蛋白(facilitator). 共转运蛋白(co-transporter)在转运底物过程中需要借助其他物质的参与, 其中质子共转运蛋白的转运机制的研究较为透彻. 比如LacY, FucP, XylE都是共转运蛋白, 它们在转运乳糖、岩藻糖和木糖的过程中都需要利用膜两侧的质子浓度梯度所提供的势能驱动, 完成底物在胞内的积累. 因此, 质子在转运过程中起到了非常重要的作用.在对LacY进行的大量生物化学研究中表明, 质子的协同运输过程中, 一些重要的氨基酸残基参与了质子传递的过程. LacY中第269位的谷氨酸(Glu269)在LacY处在向胞外开放构象下被质子化, 然后乳糖分子会结合到蛋白上的底物结合位点,诱导Glu269上的质子发生传递, 使其转移到第325位谷氨酸(Glu325)上. 与此同时, 这一过程驱动蛋白发生构像变化, 使蛋白呈现向胞内开放状态, 底物释放后Glu325上的质子也随之释放, 蛋白在这种状态下不稳定, 随即恢复到面向胞外状态, 完成一个转运循环.在对另一个质子同向转运蛋白FucP的研究过程中发现, 位于转运通道中两个酸性氨基酸Asp46以及Glu135可能与LacY中的2个酸性氨基酸一样, 在底物转运过程中可以被质子化和去质子化, 引起蛋白的构象变化, 完成底物转运.XylE蛋白需要质子进行共转运的机制则可能有所不同. 研究发现, XylE 中第27 位的天冬氨酸(Asp27)与质子协助转运有关. 将Asp27突变成天冬酰胺Asn或者丙氨酸Ala后, 并不会对底物的逆流转运实验(counterflow assay)产生影响, 但在活细胞中突变体蛋白不能完成底物转运. 有意思的是在XylE的高分辨率晶体结构中, Asp27

与第133位精氨酸(Arg133)形成静电相互作用, 如果将Arg133突变成组氨酸His、亮氨酸Leu、色氨酸Trp都会影响XylE的转运活性. 而Asp27侧链的质子化可能会造成其局部的构象变化, 使其与Arg133不适合形成氢键除了共转运蛋白, MFS超家族还存在一类协助转运蛋白. 我们近期完成结构解析的人源葡萄糖转运蛋白GLUT1正是最重要的协助转运蛋白之一. 由于GLUT1与XylE具有较高的序列同源性, GLUT1的N端结构域和C端结构域与来自XylE的2个结构域都十分相似. 2个结构上相似的蛋白却以2种不同的方式进行转运, 这对我们研究和认识质子共转运的机制有很大帮助. 在GLUT1的序列中与XylE序列中第27位的天冬氨酸(Asp27)对应的第29位氨基酸被天冬酰胺取代, 这个突变刚好可以模拟天冬氨酸(Asp)质子化的状态.Asn29没有与Arg126(对应XylE的Arg133)形成氢键. 这就释放了Arg126, 其与来自C端结构域的Try292形成阳离子-?键相互作用(cation-?interaction).目前, 我们认为XylE的转运过程是: 当XylE处在向胞外开放时, Asp27很容易被质子化, 质子化的天冬氨酸会引起与它相互作用的氨基酸残基侧链发生构象变化, 与此同时, 底物分子(木糖)可以进入底物结合位点; 与蛋白结合的底物分子可以诱导蛋白发生较大构象变化, 使蛋白从向胞外开放变成向胞内开放; 随后底物从蛋白上结合位点脱离, Asp27也去质子化, 此时构象变得不稳定, 蛋白恢复向胞外开放状态. 如果Asp27不能去质子化, 即使底物从蛋白脱离也不能使蛋白完成空转, 将稳定在向胞内开放状态.而GLUT1是一个协助转运蛋白(uniporter/facilitator),它就像一直处于质子