清華新聞網(wǎng)11月3日電 葡萄糖是人體細(xì)胞能量的主要來(lái)源，而葡萄糖-6-磷酸（G6P）是葡萄糖代謝的“關(guān)鍵樞紐”——它不僅是糖原合成、糖酵解、磷酸戊糖途徑等關(guān)鍵代謝通路的起點(diǎn)，更是糖異生和糖原分解的核心中間產(chǎn)物。1947年，格蒂·科里與丈夫卡爾·科里因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“糖原的催化轉(zhuǎn)化過(guò)程”共同榮獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。而糖原分解產(chǎn)生的G6P需要進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)由葡萄糖-6-磷酸酶（G6PC1）催化成葡萄糖，維持葡萄糖代謝穩(wěn)態(tài)，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（G6PT）就負(fù)責(zé)完成這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)運(yùn)。G6PT的功能異常會(huì)引發(fā)GSD-Ib、低血糖、肝腎功能損傷（肝腫大、腎腫大）、生長(zhǎng)遲緩、高脂血癥等一系列嚴(yán)重疾病。然而，科學(xué)界對(duì)于G6PT的結(jié)構(gòu)特征、底物識(shí)別機(jī)制、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程及抑制劑作用機(jī)制此前并不清楚。
近日，清華大學(xué)藥學(xué)院陳立功教授團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所姜道華研究員團(tuán)隊(duì)合作，首次解析了G6PT在空載、G6P結(jié)合及抑制劑綠原酸（CHA）結(jié)合狀態(tài)下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了G6P識(shí)別和轉(zhuǎn)運(yùn)的分子機(jī)制，以及CHA的抑制機(jī)制，為研究相關(guān)生理過(guò)程和GSD-Ib、低血糖等疾病機(jī)制提供了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)G6PT的功能特性進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)G6PT與G6PC1共表達(dá)會(huì)顯著增加其轉(zhuǎn)運(yùn)活性，基于這一發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地建立了其轉(zhuǎn)運(yùn)活性測(cè)試方法。為了進(jìn)一步探究其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，研究團(tuán)隊(duì)采用ALFA標(biāo)簽融合策略（將短α螺旋標(biāo)簽引入G6PT），結(jié)合納米抗體（NbALFA）輔助冷凍電鏡分析，成功解析了G6PT處于外向開(kāi)放狀態(tài)（G6PT-apo）、G6PT處于外向開(kāi)放狀態(tài)時(shí)與G6P復(fù)合物（G6PT-G6P）和G6PT與CHA結(jié)合后處于內(nèi)向閉塞狀態(tài)（G6PT-CHA）的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。
圖1.人源G6PT冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（G6PT-apo，G6PT-G6P，G6PT-CHA）
通過(guò)結(jié)構(gòu)分析和定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)，一方面明確了G6P在轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中的結(jié)合位點(diǎn)及關(guān)鍵相互作用殘基，發(fā)現(xiàn)G6PT識(shí)別G6P通過(guò)“雙亞位點(diǎn)”，亞位點(diǎn)A（磷酸識(shí)別區(qū)）由TM2上的Y60、K64和TM11上的H366組成，通過(guò)極性相互作用精準(zhǔn)結(jié)合G6P的磷酸基團(tuán)，亞位點(diǎn)B（葡萄糖識(shí)別區(qū)）由TM4上的W118、TM5上的W138和S142、TM7上的Y233等殘基構(gòu)成，通過(guò)氫鍵和范德華力固定G6P的葡萄糖部分；另一方面明確了G6PT特異性抑制劑CHA的抑制機(jī)制，揭示了其“雙重抑制策略”，CHA的奎寧酸部分競(jìng)爭(zhēng)性占據(jù)G6P的結(jié)合位點(diǎn)，直接阻斷G6P與G6PT的結(jié)合，CHA的咖啡酸部分插入TM5與TM10之間，通過(guò)π-π堆積和范德華力固定G6PT的“內(nèi)向閉塞”構(gòu)象，使其無(wú)法轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)運(yùn)所需的開(kāi)放狀態(tài)，徹底終止G6P轉(zhuǎn)運(yùn)。通過(guò)將GSD-Ib的臨床相關(guān)致病性突變映射到解出的三維結(jié)構(gòu)上，結(jié)合功能突變實(shí)驗(yàn)明確了部分突變對(duì)蛋白構(gòu)象、底物結(jié)合或轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的影響。
圖2.G6PT底物識(shí)別、抑制劑結(jié)合關(guān)鍵位點(diǎn)及致病突變位點(diǎn)
基于這些研究結(jié)果，團(tuán)隊(duì)提出了G6PT轉(zhuǎn)運(yùn)G6P及CHA抑制轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)制，完善了對(duì)其轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的理解。
圖3.G6PT底物轉(zhuǎn)運(yùn)及抑制機(jī)制示意圖
研究成果以“人葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)體G6PT轉(zhuǎn)運(yùn)和抑制的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)”（Structural basis for transport and inhibition of the human glucose-6-phosphate transporter G6PT）為題，于10月24日在發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員姜道華與清華大學(xué)藥學(xué)院教授陳立功為論文共同通訊作者。中國(guó)科學(xué)院物理研究所2021級(jí)博士生夏嶄憶、清華大學(xué)藥學(xué)院2023級(jí)博士生王亞棋、中國(guó)科學(xué)院物理研究所博士后武迪以及北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究員遲程為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的資助，清華大學(xué)藥學(xué)技術(shù)中心提供了質(zhì)譜測(cè)試。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-64464-1
供稿：藥學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
