结构生物学新突破！研究破解葡萄糖转运机制

营养物质经过消化后，在肠道中进行吸收。其中葡萄糖的吸收为人体提供了基本的能量来源。在这个过程中，葡萄糖是如何逆浓度梯度运输的？

上世纪60年代，这个问题得到了初步的解答， 二级主动转运蛋白共转运的概念被提出。随后，科学家发现钠-葡萄糖共转运蛋白1（SGLT1）介导了这个主动转运过程。作为SGLT家族中首个被发现的成员，这种位于小肠黏膜刷状缘膜上的蛋白质一次转运两个钠离子和一个糖分子，且二者的转运方向一致，因而又称为同向转运蛋白。

半个多世纪来，SGLT1的生理功能和转运机制得到了大量研究。科学家发现，SGLT1除了在肠道中吸收糖，还与同一个家族的SGLT2一起，在肾脏中葡萄糖的重吸收方面扮演着重要角色，成为治疗糖尿病的重要药物靶标。目前已有多种针对SGLT2的药物，而针对SGLT1的药物也在积极的开发之中。此外，基于SGLT1的钠-葡萄糖共转运机制，研究人员发展出了用于治疗腹泻的口服补液疗法。因此，理解钠-葡萄糖转运的蛋白结构及作用机理，在生理及医疗方面都有重要意义。

但是，对于SGLT家族的结构，人们长期以来了解十分有限。今天，在一篇发表于《自然》杂志的论文中，斯坦福大学冯亮教授团队与Georgios Skiniotis教授团队合作，报道了人源SGLT1的近原子分辨率冷冻电镜结构，大幅加深了人们对于钠-葡萄糖转运蛋白家族结构、作用机制的理解。

对研究人员来说，揭示SGLT1的冷冻电镜结构极具挑战性。这篇论文的第一作者，冯亮实验室博士后韩蕾介绍道，SGLT1结构研究的主要难点在于两个方面：SGLT1蛋白整体比较小，不利于冷冻电镜的研究；此外，蛋白在去垢剂中不稳定，难于纯化。

对此，研究团队采取了一系列创新性的策略：由于SGLT1蛋白较小，作者通过高亲和力的纳米抗体，显著增加了蛋白膜外区的特征，这使得他们更容易对蛋白颗粒分类并进行结构解析。此外，他们对蛋白质的氨基酸序列进行了特定的改造，从而提升了蛋白质的稳定性。

这些工作显著提升了SGLT1蛋白的可观测性，最终，研究团队获得了分辨率为3.15 Å的SGLT1冷冻电镜结构，并揭示了SGLT1作为转运蛋白的结构机理。

▲SGLT1的冷冻电镜结构（图片来源：参考资料[1]）

冷冻电镜结构表明，SGLT1蛋白与原核生物亮氨酸转运蛋白（LeuT）类似，由一个用于支撑的结构域和一个用于转运的结构域组成。SGLT1含有14个跨膜螺旋（从TM0到TM13），TM1-TM10为转运的核心结构。其中TM1和TM6构成了一道控制转运过程的阀门：当两个钠离子和一个葡萄糖分子同时出现，这两个跨膜螺旋会向胞内移动，关闭外界的糖分子与蛋白结合的通道。

从蛋白质结构中，研究者还发现了SGLT1识别糖分子的机制。SGLT1能转运葡萄糖和半乳糖，而SGLT1在细菌中的同源蛋白vSGLT只能转运半乳糖。通过对比SGLT1与vSGLT的结构，研究团队发现一个氨基酸残基的替换导致了结合葡萄糖能力的消失。这一发现也体现出，对糖分子的转运是一个精细的微调过程。

▲SGLT1与SGLT2的转运机制示意图（图片来源：参考资料[2]）

这项研究还发现，SGLT1具有水通道活性的结构基础。借助计算机模拟，研究团队在SGLT1中揭示了一条水分子通道，而氨基酸残基的替换将导致运输水的能力下降。但研究也指出，水分子通过SGLT1转运的机制尚不明确，需要进一步的研究来探索。

注：原文有删减

参考资料：

[1] Lei Han et al., Structure and mechanism of the SGLT family of glucose transporters. Nature(2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04211-w

[2] David Drew, Structures show how salt gets a sweet ride. Nature(2021). https://doi.org/10.1038/d41586-021-03555-7