環(huán)二核苷酸（cyclic dinucleotides，CDNs）是自然界中重要的信使分子。哺乳動(dòng)物細(xì)胞生成一種特異的CDN：2'3'-cGAMP，其由天然免疫受體cGAS在感知細(xì)胞質(zhì)異常DNA信號(hào)后催化產(chǎn)生。2'3'-cGAMP結(jié)合并激活下游的接頭蛋白STING，進(jìn)而誘發(fā)廣譜的免疫反應(yīng)。除了2'3'-cGAMP，病原菌分泌的多種CDN以及廣受關(guān)注的CDN類抗癌藥物，均可激活STING并調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。

　　該領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的問題之一是極性的CDN分子如何跨膜進(jìn)入細(xì)胞？有研究表明，溶質(zhì)載體家族蛋白SLC19A1是關(guān)鍵的CDN轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。除了CDN，SLC19A1是主要的葉酸和抗葉酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。部分抗葉酸藥物通過某種“神奇且未知的機(jī)制”被經(jīng)常用于治療一些自身免疫類疾病。SLC19A1由于可同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)這兩類底物，且對(duì)這兩類底物的轉(zhuǎn)運(yùn)存在相互抑制，從而被推測(cè)可能在此過程中發(fā)揮作用。

　　鑒于SLC19A1在CDN、葉酸及抗葉酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)中的重要功能，關(guān)于其底物識(shí)別機(jī)制的研究將有助于SLC19A1相關(guān)疾病的機(jī)理分析和潛在藥物的開發(fā)與優(yōu)化。10月20日，中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所研究員高璞團(tuán)隊(duì)/張立國(guó)團(tuán)隊(duì)以及北京理工大學(xué)教授高昂團(tuán)隊(duì)合作，在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Recognition of cyclic dinucleotides and folates by human SLC19A1的研究論文，揭開了SLC19A1識(shí)別不同底物分子的神秘面紗。

　　該研究進(jìn)行大量篩選，獲得了一系列識(shí)別SLC19A1的鼠源單抗來穩(wěn)定蛋白樣品。利用其中一種剛性結(jié)合抗體，研究解析了SLC19A1向細(xì)胞內(nèi)側(cè)開口（inward-open）的無底物狀態(tài)電鏡結(jié)構(gòu)。SLC19A1是由12根跨膜螺旋組成的MFS類型轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，這一結(jié)構(gòu)鑒定了SLC19A1 inward-open構(gòu)象下的關(guān)鍵元件及分子內(nèi)互作。SLC19A1底物通道內(nèi)腔及胞質(zhì)側(cè)入口攜帶大量的正電荷，與SLC19A1所轉(zhuǎn)運(yùn)底物的陰離子特性相契合。研究通過對(duì)已報(bào)道的功能缺失或疾病相關(guān)突變進(jìn)行mapping，發(fā)現(xiàn)這些突變多會(huì)影響底物識(shí)別、轉(zhuǎn)運(yùn)或蛋白自身折疊。

　　進(jìn)一步，科研人員解析了SLC19A1與不同來源的三種CDN復(fù)合物inward-open狀態(tài)的電鏡結(jié)構(gòu)。三種CDN分子均是通過形成緊密且精巧的二聚體單元結(jié)合于SLC19A1的正電荷內(nèi)腔底部，而這種底物識(shí)別方式在其他SLC或MFS家族蛋白中尚未被報(bào)道。CDN二聚體單元呈現(xiàn)堿基在中間、磷酸糖環(huán)在兩端的構(gòu)象，這種特殊的組裝方式依賴兩個(gè)CDN分子間的堆疊和氫鍵互作。雖然不同CDN的結(jié)合模式大致類似，但它們各自的二聚體單元卻存在明顯的構(gòu)象差異，這反應(yīng)了SLC19A1對(duì)不同CDN具有廣泛的包容性。

　　為探索SLC19A1識(shí)別葉酸和抗葉酸的機(jī)制，研究人員利用一組新的抗體解析了SLC19A1與5-MTHF（飲食和血液中主要存在的還原型葉酸）和PMX（一類新型抗葉酸藥物）復(fù)合物的高分辨率電鏡結(jié)構(gòu)。然而，與CDN不同，5-MTHF和PMX均以單體形式結(jié)合在SLC19A1極性腔的中上部。此前已知SLC19A1對(duì)還原型葉酸的轉(zhuǎn)運(yùn)效率遠(yuǎn)高于普通葉酸，研究發(fā)現(xiàn)這是由于SLC19A1與5-MTHF的5位甲基和8位氫原子形成了額外的相互作用。

　　雖然CDN和葉酸/抗葉酸與SLC19A1的結(jié)合位點(diǎn)完全不同，但兩種底物都經(jīng)由相同的內(nèi)部通道進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，因此二者之間顯然存在競(jìng)爭(zhēng)性抑制。該研究對(duì)兩個(gè)底物結(jié)合口袋進(jìn)行系統(tǒng)性突變分析發(fā)現(xiàn)，有些突變會(huì)同時(shí)影響兩類底物的轉(zhuǎn)運(yùn)，而有些突變則僅對(duì)某一類底物的轉(zhuǎn)運(yùn)產(chǎn)生顯著影響，這提示后續(xù)或設(shè)計(jì)出具備底物抑制選擇性的小分子藥物。

　　該研究報(bào)道了人源SLC19A1識(shí)別CDN、葉酸及抗葉酸等不同底物的分子基礎(chǔ)，揭示了其獨(dú)特且多樣的底物識(shí)別機(jī)制，并鑒定了SLC和MFS家族的全新底物識(shí)別模式。該成果為開發(fā)新一代CDN類藥物和抗葉酸類藥物提供了新思路。同時(shí)，該研究中建立的抗體篩選平臺(tái)與已獲得的多種單抗為抗體類藥物的開發(fā)提供了基礎(chǔ)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部、北京市自然科學(xué)基金委員會(huì)、中科院等的支持。相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到生物物理所蛋白質(zhì)科學(xué)研究平臺(tái)的支撐。

　　論文連接 

SLC19A1轉(zhuǎn)運(yùn)CDN（a）和葉酸/抗葉酸（b）概念圖及模式圖