继去年在世界上第一次解析出人源次级转运蛋白GLUT1的三维晶体结构后，清华大学颜宁研究组又获得新的重大突破:获得了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，并通过与之前该组解析的GLUT1的结构比对，完整揭示了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设计提供了直接依据。
7月15日，《自然》（Nature）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》（Molecular Basis of ligand recognition and transport by glucose transporters）。清华大学生命科学联合中心博士后邓东和一年级博士生孙鹏程为本文的共同第一作者，颜宁教授为本文的通讯作者。
葡萄糖是地球上各种生物最主要的能源物质，为生长代谢提供能量，并且作为前体参与合成其他生命组成大分子。葡萄糖分子高度亲水，无法自由通过疏水的生物膜，其进出细胞需要依靠膜上的转运蛋白完成。主要协同转运蛋白超家族（Major Facilitator Superfamily, MFS）中的葡萄糖转运蛋白GLUTs在此过程中至关重要。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）。它们负责向人体的不同组织转运葡萄糖，比如GLUT1主要负责葡萄糖进入红细胞和跨越血脑屏障，GLUT2主要在肝、脾、小肠等内脏细胞中发挥作用，GLUT3负责为神经系统摄取葡萄糖，GLUT4则是肌肉和脂肪组织的主要葡萄糖转运蛋白。此外，越来越多的研究发现GLUT1和GLUT3在多种实体瘤中超量表达，这是由于肿瘤细胞的快速增殖使其处于缺氧环境中，无氧条件下依靠糖酵解产生的ATP（三磷酸腺苷）不到有氧代谢环境下的十分之一，因此肿瘤细胞需要大量表达GLUTs以满足葡萄糖的超量摄入，这一现象被称为“沃伯格效应”（“Warburg effect”）。这一现象使得GLUT1和GLUT3成为潜在的肿瘤细胞标志物，具有重要的诊断价值。此外，前期实验显示，一些GLUT1转运抑制剂在抑制小鼠肿瘤生长方面表现出较好的效果，使得GLUTs成为潜在的肿瘤治疗靶点。因此，GLUTs的结构生物学及生物化学研究将为这一潜在应用提供重要的分子基础。
过去8年来，颜宁教授领导的研究组一直致力于系统揭示GLUTs的结构与工作机理。2012年，她领导的团队解析了GLUTs大肠杆菌同源蛋白XylE与底物分子木糖及抑制剂葡萄糖的复合物晶体结构，并通过同源建模首次描绘出GLUTs的大致结构，为研究GLUTs的转运机理研究提供了重要线索。此后，该团队聚焦于极富挑战性的人源葡萄糖转运蛋白GLUT1-4的结构生物学研究，并于2014年初解析了具有近一个世纪研究历史、备受关注的人源GLUT1的三维结构，这也是第一个人源次级转运蛋白的晶体结构。
据颜宁介绍，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；为了理解底物识别，则需获得GLUTs与底物的复合物结构。针对这些问题，颜宁研究组精心设计实验，利用膜蛋白脂立方相（Lipidic Cubic Phase, LCP） 结晶和微聚焦X-射线衍射，最终解析出人源葡萄糖转运蛋白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朝向胞外闭合的状态，分辨率高达1.5埃，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，研究组推测加入竞争性抑制分子麦芽糖或者纤维二糖之后，可能将GLUT3稳定于面向胞外的构象。此后的生化实验证明了这一猜测，最终研究组获得了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，GLUT家族蛋白通过交替开放（alternating access）转运底物的整个过程已经基本呈现在人们的眼前。这不但是对于GLUTs家族转运机制研究的突破性进展，也为转运蛋白领域和膜蛋白结构生物学领域的研究起到了导向作用。同时，高分辨率GLUT3与底物结合的结构也为今后的小分子抑制剂的设计提供了重要的理论基础。
此项研究得到科技部重大研究计划的资助。颜宁是清华大学拜耳讲席教授，并获得美国HHMI国际青年科学家、国家自然科学基金委杰出青年基金和中组部首批青年拔尖创新人才计划的支持。