2022-10-21
环二核苷酸（cyclic dinucleotides，CDNs）是自然界中广泛且重要的信使分子。哺乳动物细胞生成一种特异的CDN：2'3'-cGAMP，其由天然免疫受体cGAS在感知细胞质异常DNA信号后催化产生。2'3'-cGAMP结合并激活下游的接头蛋白STING，进而诱发广谱的免疫反应。除了2'3'-cGAMP，病原菌分泌的多种CDN以及广受关注的CDN类抗癌药物，均可激活STING并调节免疫反应。 领域内一直关注的一个问题是极性的CDN分子如何跨膜进入细胞？有研究表明溶质载体家族蛋白SLC19A1是关键的CDN转运蛋白。除了CDN，SLC19A1还是主要的叶酸和抗叶酸转运蛋白。有趣的是，部分抗叶酸药物通过某种"神奇且未知的机制"被经常用于治疗一些自身免疫类疾病。SLC19A1由于能同时转运这两类底物，且对这两类底物的转运存在相互抑制，从而被推测可能在此过程中发挥作用。 鉴于SLC19A1在CDN、叶酸以及抗叶酸跨膜转运中的重要功能，对其底物识别机制的研究将有助于SLC19A1相关疾病的机理分析和潜在药物的开发及优化。2022年10月20日，中科院生物物理所的高璞团队、张立国团队和北京理工大学的高昂团队在《Nature》杂志上在线发表了文章"Recognition of cyclic dinucleotides and folates by human SLC19A1"，揭开了SLC19A1识别不同底物分子的神秘面纱。 研究人员首先进行了大量筛选，并获得了一系列识别SLC19A1的鼠源单抗来稳定蛋白样品。利用其中一种刚性结合抗体，研究人员随后解析了SLC19A1向细胞内侧开口（inward-open）的无底物状态电镜结构。SLC19A1是由12根跨膜螺旋组成的MFS类型转运蛋白，此结构鉴定了SLC19A1 inward-open构象下的关键元件及分子内互作。SLC19A1底物通道内腔及胞质侧入口携带大量的正电荷，这与SLC19A1所转运底物的阴离子特性相契合。通过对已报道的功能缺失或疾病相关突变进行mapping，研究人员发现这些突变大多会影响底物识别、转运或蛋白自身折叠。 接下来，研究人员解析了SLC19A1与不同来源的三种CDN复合物inward-open状态的电镜结构。令人意外的是，三种CDN分子都是通过形成紧密且精巧的二聚体单元结合于SLC19A1的正电荷内腔底部，而这种底物识别方式在其他SLC或MFS家族蛋白中尚未被报道。CDN二聚体单元呈现碱基在中间、磷酸糖环在两端的构象，这种特殊的组装方式依赖于两个CDN分子间的堆叠和氢键互作。虽然不同CDN的结合模式大致类似，但它们各自的二聚体单元却存在明显的构象差异，这反应了SLC19A1对不同CDN具有广泛的包容性。 为探究SLC19A1识别叶酸和抗叶酸的机制，研究人员利用一组新的抗体成功解析了SLC19A1与5-MTHF（饮食和血液中主要存在的还原型叶酸）和PMX（一类新型抗叶酸药物）复合物的高分辨率电镜结构。然而与CDN不同，5-MTHF和PMX均以单体形式结合在SLC19A1极性腔的中上部。此前已知SLC19A1对还原型叶酸的转运效率远高于普通叶酸，研究人员发现其原因在于SLC19A1与5-MTHF的5位甲基和8位氢原子形成了额外的相互作用。 虽然CDN和叶酸/抗叶酸与SLC19A1的结合位点完全不同，但两种底物都经由相同的内部通道进行转运，因此二者之间显然存在竞争性抑制。研究人员对两个底物结合口袋进行了系统性突变分析，发现有些突变会同时影响两类底物的转运，而有些突变则仅对某一类底物的转运产生显著影响，这提示后续有可能设计出具备底物抑制选择性的小分子药物。关闭窗口SLC19A1转运CDN（a）和叶酸/抗叶酸（b）概念图及模式图 综上所述，该研究报道了人源SLC19A1识别CDN、叶酸及抗叶酸等不同底物的分子基础，揭示了其独特且多样的底物识别机制，并鉴定了SLC和MFS家族的一种全新底物识别模式。该研究为开发新一代CDN类药物和抗叶酸类药物提供了新思路，而研究中建立的抗体筛选平台及已获得的多种单抗也为抗体类药物的开发提供了基础。 生物物理所博士生张启祥、生物物理所助研张旭媛、北京理工大学博士后朱亚兰和生物物理所博士生孙盼盼为本文的共同第一作者；高璞研究员、张立国研究员和高昂教授为共同通讯作者。生物物理所娄继忠研究员团队在计算模拟方面提供了核心支持，王峰研究员团队在抗体筛选方面提供了帮助，柳振峰研究员团队在膜蛋白制备方面提供了帮助。该研究获得国家自然科学基金委、科技部、北京市自然科学基金委、及中科院等项目资助。相关实验得到生物物理所蛋白质科学研究平台的支撑和帮助。 文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05452-z
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