GLUT4 是脂肪和骨骼肌组织中的主要葡萄糖转运蛋白。它的 细胞 运输受胰岛素信号传导的调节。GLUT4 的质膜定位失败或减少与糖尿病有关。

2022年5月13日,清华大学闫创业及普林斯顿大学 颜宁 共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Cryo-EM structure of human glucose transporter GLUT4”的研究论文,该研究报告了在洗涤剂胶束和脂质纳米圆盘中以 3.3 Å 的分辨率与小分子抑制剂细胞松弛素 B (CCB) 结合的人 GLUT4 的冷冻电镜结构。CCB 结合的 GLUT4 表现出向内开放的构象。

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尽管跨膜结构域与 GLUT1 的构象几乎相同,但冷冻电镜结构揭示了一个细胞外糖基化 位点 和一个在 GLUT1 的晶体结构中不可见的细胞内螺旋。这里介绍的结构研究为进一步研究 GLUT4 运输的调节机制奠定了基础。该研究对 GLUT4 进行冷冻 EM 分析的方法也将有助于许多其他小尺寸溶质载体的结构测定。

另外,2022年5月12日,普林斯顿大学颜宁及清华大学Jiang Xin共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“Molecular basis for inhibiting human glucose transporters by exofacial inhibitors”的研究论文,该研究报告了一种 GLUT3 变体的工程,称为 GLUT3exo,可用于筛选和验证外表面抑制剂。该研究鉴定了一种外表面 GLUT3 抑制剂 SA47,并通过 SA47 结合的 GLUT3 的 2.3 Å 分辨率晶体结构阐明其作用方式。该研究为发现用于治疗开发的 GLUTs 表面抑制剂提供了一个框架。

2022年4月26日,普林斯顿大学颜宁及西湖大学申怀宗共同通讯在Cell Reports 在线发表题为”High-resolution structures of human Nav1.7 reveal gating modulation through α-π helical transition of S6IV“的研究论文,该研究报告了与 β1 和 β2 亚基复合的野生型 (WT) Nav1.7 的 2.2-Å 分辨率冷冻电镜结构,揭示了几个以前难以辨认的胞质片段。 重新处理报告的与各种毒素结合的 Nav1.7(E406K)结构的冷冻 EM 数据确定了 S6IV 的两种不同构象,一种仅由 α 螺旋转角组成,另一种在中间包含 π 螺旋转角。在 3.5-Å 分辨率下测定的无配体 Nav1.7(E406K) 的结构与 WT 通道相同,证实了 Huwentoxin IV 或 Protoxin II 与 VSDII 的结合变构诱导了 S6IV 的 α → π 转变。这种局部二级结构转变对孔域 (PD) 门控具有重大影响,并重塑了快速失活 基序 Ile/Phe/Mel (IFM) 的适应位点。人类野生型Nav1.7 的高分辨率结构为有助于药物发现的进一步生物物理和计算分析提供了准确的模板。肽门控修饰毒素 (GMTs) 结合后的构象变化揭示了 GMT 对孔门控的变构调节的机制理解。

2022年4月27日,普林斯顿大学颜宁团队在Cell Research 在线发表题为”Structural basis for pore blockade of human voltage-gated calcium channel Cav1.3 by motion sickness drug cinnarizine“的研究论文,该研究发现与桂利嗪(cinnarizine )结合的人 Cav1.3 通道的结构揭示了晕动病药物对 LTCC 的直接孔隙阻断。桂利嗪结合位点的局部结构变化导致随后的螺旋段发生轴向旋转。S6III中门控残基定位螺旋转角的α → π跃迁进一步收缩了离子渗透孔。这里显示的结构以及之前的研究揭示了不同 Cav 通道调节剂 MOA 的分子细节,并为结构辅助药物发现奠定了基础。

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葡萄糖作为主要燃料、多功能生物前体和信号分子,通过各种机制(例如胰岛素和胰高血糖素的激素调节)严格控制代谢稳态。胰岛素通过触发细胞摄取葡萄糖来降低血糖水平。主要促进子超家族 (MFS) 葡萄糖转运蛋白 GLUT4 介导脂肪细胞和肌肉细胞中的限速葡萄糖细胞摄取,因此在胰岛素反应性葡萄糖代谢中起着至关重要的作用。

在基础状态下,GLUT4 主要分布在跨高尔基网络 (TGN)、内体和GLUT4 储存囊泡 (GSV)。胰岛素刺激后,GLUT4 迅速从这些细胞内结构转运到质膜,导致血液中葡萄糖的快速消耗。由于胰岛素可用性或感知受损导致细胞葡萄糖摄取受损是糖尿病的基础。因此,阐明 GLUT4 的结构和工作机制将有助于我们了解基本的能量代谢,并为开发潜在的疾病干预策略提供启示。

GLUT4,由 SLC2A4 编码,是 SLC2A 家族的 14 个成员之一。在 SLC2A 成员中,GLUT4 与 GLUT1 的关系最密切,序列同一性和相似性分别为 65% 和 79%。几年前,人类 GLUT1 和 GLUT3 的向内和向外构象的晶体结构被解析。然而,介导 GLUT4 膜运输能力的独特序列,包括氨基 (N) 末端的 FQQI 基序和羧基 (C) 末端的 LL 和 TELEY 基序,在 SLC2A 家族中不是保守的,需要解决GLUT4的高分辨率结构。

尽管付出了巨大的努力,但研究人员无法获得 GLUT4 的衍射晶体。单粒子冷冻电子显微镜 (cryo-EM) 在处理具有构象异质性的低产量样品方面更强大。然而,长度为 509 个残基的 GLUT4 的大小是冷冻电镜分析的主要技术障碍。

事实上,在膜区域外缺乏相对刚性大结构域的小膜蛋白是冷冻电镜最具挑战性的目标之一,因为厚胶束或纳米圆盘阻碍了图像处理和分类。它们缺乏有助于区分细胞外/腔和细胞内侧的独特特征。具有伪对称性的蛋白质更具挑战性,因为在数据处理过程中,在低分辨率下无法区分膜内的重复序列。最近报道的小膜蛋白的冷冻电镜结构要么具有更高的对称性,要么由相对刚性的可溶结构域组成。为了克服这些技术障碍,必须选择抗体或纳米抗体等结合剂以促进冷冻电镜分析。

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人 GLUT4 的结构测定(图源自Nature Communications )

该研究报告了在洗涤剂胶束和脂质纳米圆盘中以 3.3 Å 的分辨率与小分子抑制剂细胞松弛素 B (CCB) 结合的人 GLUT4 的冷冻电镜结构。 CCB 结合的 GLUT4 表现出向内开放的构象。 尽管跨膜结构域与 GLUT1 的构象几乎相同,但冷冻电镜结构揭示了一个细胞外糖基化位点和一个在 GLUT1 的晶体结构中不可见的细胞内螺旋。 这里介绍的结构研究为进一步研究 GLUT4 运输的调节机制奠定了基础。 该研究对 GLUT4 进行冷冻 EM 分析的方法也将有助于许多其他小尺寸溶质载体的结构测定。

参考消息:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30235-5

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30326-3