Nature:研究揭示环二核苷酸和叶酸的跨膜转运机制

环二核苷酸是自然界中重要的信使分子。哺乳动物细胞产生一种特异性的CDN: 23-CGAMP，这种CDN:23-CGAMP在感知到细胞质中的异常DNA信号后，被天然受体cGAS催化。2-cgamp结合并激活下游接头蛋白STING，然后诱导广谱免疫反应。除2 3 -cGAMP外，病原菌分泌的各种cdn和广泛关注的cdn抗癌药物均可激活STING，调节免疫反应。

这一领域持续关注的问题之一是极性CDN分子如何穿过膜进入细胞。研究表明，溶质载体家族蛋白SLC19A1是关键的CDN转运蛋白。除CDN外，SLC19A1是主要的叶酸和反叶酸转运蛋白。一些抗叶酸药物常通过一些神秘未知的机制用于治疗一些自身免疫性疾病。SL19A1可以同时转运这两种底物，并抑制这两种底物的转运，因此推测SL19A1可能在这一过程中发挥作用。

鉴于SLC19A1在CDN、叶酸和抗叶酸的跨膜转运中的重要作用，对其底物识别机制的研究将有助于SLC19A1相关疾病的机制分析以及潜在药物的开发和优化。10月20日，中国科学院生物物理研究所高普/张立国团队和北京理工大学高教授高团队在《自然》 (Nature)在线发表了一篇题为《人类SLC19A1对环二核苷酸和叶酸的识别》的研究论文，揭开了SLC19A1对不同底物分子的识别之谜。

在这项研究中，获得了一系列识别SLC19A1的小鼠单克隆抗体来稳定蛋白质样品。使用其中一种刚性结合抗体，研究和分析了SLC19A1在无底物状态下的电子显微结构。SL19A1是由12个跨膜螺旋组成的MFS型转运蛋白。该结构确定了SL19A1正向开放构象中的关键元件和分子内相互作用。SL19A1底物通道的管腔和细胞质侧入口携带大量正电荷，与SL19A1转运底物的阴离子特性一致。通过绘制已报道的功能缺失或疾病相关突变，发现这些突变会影响底物识别、转运或蛋白质折叠。

此外，研究人员分析了SLC19A1和三种不同来源的CDN化合物向内开放状态的电子显微镜结构。所有三种CDN分子都通过形成紧密和精细的二聚体单元结合到SLC19A1的正电荷腔底部，但这种底物识别模式在其他SLC或MFS家族蛋白中尚未报道。CDN二聚体单位呈现中间碱基、两端磷酸环的构象。这种特殊的组装方法依赖于两个CDN分子之间的堆积和氢键相互作用。虽然不同cdn的结合模式大致相似，但其各自的二聚体单元存在明显的构象差异，这反映了SLC19A1广泛包容了不同的cdn。

为了探索SLC19A1识别叶酸和抗叶酸的机制，研究人员分析了SLC19A1与5-MTHF(主要存在于饮食和血液中的还原叶酸)和PMX(一类新的抗叶酸药物)的复合物的高分辨率电镜结构。然而，与CDN不同，5-MTHF和PMX作为单体结合在SLC19A1的极性腔的上部和中部。此前已知SLC19A1对还原型叶酸的转运效率远高于普通叶酸。发现这是由于SLC19A1和5-MTHF的5-甲基和8-氢原子之间的额外相互作用。

虽然CDN和叶酸/抗叶酸和SLC19A1的结合位点完全不同，但两种底物都是通过同一内部通道转运的，所以两者之间存在明显的竞争抑制作用。在本研究中，对两种底物结合口袋的系统突变分析表明，一些突变可以同时影响两种底物的转运，而一些突变只对一种底物的转运产生显著影响，这表明可以在后期设计具有底物抑制选择性的小分子药物。

本研究报道了人类SLC19A1识别CDN、叶酸和抗叶酸等不同底物的分子基础，揭示了其独特多样的底物识别机制，并确定了SLC和MFS家族新的底物识别模式。这一成果为开发新一代CDN药物和抗叶酸药物提供了新思路。同时，本研究建立的抗体筛选平台和获得的各种单克隆抗体为抗体药物的开发提供了基础。这项研究得到了国务院、科技部、北京自然科学基金和中国科学院的支持。相关实验得到了生物物理研究所蛋白质科学研究平台的支持。

SLC19A1转运CDN(a)和叶酸/抗叶酸(B)的概念图和模型图