上海光源用戶在《自然》發表兩項研究成果

　　一、葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4的結構與機理研究

　　10月18日，清華大學醫學院教授顏寧研究組在Nature以Research Article的形式發表了題為Crystal structure of a bacterial homologue of glucose transporters GLUT1-4的研究論文，報道了人的葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結構，并且運用生化手段對其工作機理進行了研究。

　　從低等微生物到高等動物如人類，葡萄糖代謝對于細胞維持正常生理功能有著至關重要的作用。但是葡萄糖無法自由通過由膦脂雙分子層構成的疏水細胞膜，細胞對葡萄糖的攝入需要借助于細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白，其中一類屬于主要協同轉運蛋白超家族(Major Facilitator Superfamily,簡稱MFS)，它是大腦、神經系統、紅細胞、各個器官中最重要的葡萄糖轉運蛋白(glucose transporters,簡稱GLUT)。這類葡萄糖轉運蛋白家族包含多個成員，其中科學家對GLUT1、GLUT2、GLUT3、GLUT4這四個蛋白研究最為深入，且證實與多種人類疾病的產生密切相關，如嬰兒癲癇發作、Fanconi-Bickel綜合癥、糖尿病、肥胖等。但是目前科學界對這一類重要蛋白的結構信息知之甚少。

　　顏寧領導的研究組一直將人體葡萄糖轉運蛋白及其在各物種中同源蛋白的結構與功能研究作為主要方向。XylE是大腸桿菌中負責將D-木糖以質子依賴的方式同向轉運進入細胞。它與人的GLUT1-4蛋白有著高達50%的序列相似性，進化上高度保守。利用上海光源生物大分子晶體學線站，顏寧研究組獲得了XylE與其兩個抑制劑的復合體結構，加上使用日本SPring-8光源獲得的XylE與底物D-木糖的復合物結構，共得到了三個復合物結構。

　　XylE蛋白的三維晶體結構呈現出典型的MFS家族折疊方式——由12個跨膜螺旋組成N端和C端兩個以假兩次軸對稱的結構域。與已知結構的MFS超家族其它成員不同，XylE呈現出一種向細胞外側開放、部分封閉的全新構象，并且具有一個獨特的由4個α螺旋組成的胞內結構域。研究組在獲得的三個復合物的結構中找到了與底物結合的重要氨基酸殘基，并通過生化實驗分析，驗證了這些殘基在底物識別與轉運過程中起到的作用。

　　尤為重要的是，序列比對顯示這些殘基在GLUT1-4中完全保守，從而第一次揭示出GLUT1-4識別底物的分子基礎。利用計算機軟件同源建模，研究組搭建了人的GLUT1蛋白的三維結構。這一結構模型由于是以具有高度同源的XylE蛋白的晶體結構為基礎，比以往研究報道的結果更為準確。根據這個結構模型，研究組進一步研究了GLUT1-4與相關人類疾病相關的突變殘基的功能與致病機理。

　　葡萄糖轉運蛋白GLUT1-4在大腸桿菌中的同源蛋白XylE的晶體結構

　　二、一類新型抗生素藥物靶點的結構與功能研究

　　10月21日，清華大學生命學院楊茂君研究組在Nature在線發表了題為Structural insight into the type-II mitochondrial NADH dehydrogenases的科研論文，首次報道了二型NADH-泛醌氧化還原酶Ndi1的晶體結構，并對其生理功能和工作機制進行了詳細的研究。

　　位于線粒體內膜上的呼吸鏈是生物體最重要的能量來源，由復合物I-V組成，它將代謝過程中產生的電子從NADH或FADH2向氧分子傳遞的系統，最終生成ATP為生物體提供能量。其中的復合物I，又稱NADH-泛醌氧化還原酶(NDH-1)，是這些電子進入電子傳遞鏈最重要的入口。在多種生物中，復合物I可以被一類稱為二型NADH氧化還原酶(NDH-2)的蛋白所取代，這類蛋白以FAD為輔基催化電子從NADH傳遞給泛醌(UQ)。NDH-2在多種病原微生物中高度保守，如結核桿菌、瘧原蟲、剛地弓形蟲等。由于在呼吸鏈中的重要地位，這類蛋白一直被認為是一個重要的藥物靶點。同時，很多人類疾病尤其是帕金森氏病等神經退行性疾病都與復合物I的缺陷有關，而外源表達的Ndi1蛋白(釀酒酵母的一種NDH-2)可以在包括小鼠在內的多種生物中取代缺陷的復合物I使機體恢復正常。此外該蛋白在果蠅中的表達可以大大延長果蠅的壽命。因此Ndi1也被認為是一個潛在的基因治療靶點。

　　自NDH-2于1966年被首次發現以來，人們對其生化特性和催化機制進行了大量的研究。但由于缺少這類蛋白的結構信息，現有的許多生化數據始終得不到很好的解釋，而且存在多處矛盾亟待解決。楊茂君研究組經過多年的不懈努力，最終利用上海光源生物大分子晶體學線站成功解析了Ndi1這一重要蛋白質的高分辨率晶體結構及Ndi1與NADH、UQ以及NADH-UQ三種底物復合物的晶體結構。

　　有趣的是，在所有晶體結構中，Ndi1均以同源二聚體形式存在，這與先前認為其可能以單體形式發揮功能的猜測不同。生物信息學和結構分析發現，Ndi1具有一個在NDH-2中高度保守的C端結構域(CTD)，該結構域介導了Ndi1二聚體化，進而使其形成一個廣泛的疏水區域，這賦予了Ndi1附著在線粒體內膜上的特性。隨后的生物化學和細胞生物學實驗都證實了以上的觀點。同時，三種Ndi1-底物復合物結構的解析首次證明了在Ndi1中同時存在兩個泛醌結合位點。結合電子順磁共振實驗的結果，最終提出了Ndi1催化電子從NADH傳遞給泛醌UQ的機制。這些研究結果不但很好的解釋了當前許多看似相互矛盾的生化數據，而且為研究NDH-2介導電子傳遞的詳細機制、針對NDH-2的藥物設計以及更好地將Ndi1應用于基因治療提供了基礎。

　　在該研究中，楊茂君課題組主要通過大量的結構生物學研究提出了該家族蛋白的可能的工作機制，然后綜合運用了生物信息學、生物化學與分子生物學、細胞生物學、遺傳學、以及物理學等多學科手段證明了這些發現，系統地研究了該家族最具代表性的蛋白Ndi1的各方面特性，全方位地展示了該蛋白發揮其線粒體呼吸鏈電子傳遞入口這一重要生物學功能的機理，是迄今已報道的對該蛋白家族的研究中最系統、最全面的一次研究。研究中所涉及的四個晶體結構全部利用上海光源成功測定，上海光源為該項研究的完成提供了及時有效的支持。

　　二型NADH-泛醌氧化還原酶Ndi1的晶體結構