以乳酸、丙酮酸和酮體為代表的單羧酸是大多數(shù)哺乳動物細胞中必需的代謝產(chǎn)物。這些單羧酸代謝物的動態(tài)吸收和再分配是由單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（monocarboxylate transporter， MCT）完成的。人體內(nèi)的單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白有兩種類型：質(zhì)子偶聯(lián)的單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（MCTs）和鈉離子偶聯(lián)的單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白（SMCTs）。

MCTs屬于溶質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白家族16（SLC16）或MFS超家族。在14種已鑒定的MCT中，MCT1-MCT4在多種組織中表達，催化一元羧酸的質(zhì)子偶聯(lián)雙向轉(zhuǎn)運。而MCT1是最早被發(fā)現(xiàn)且廣泛分布在各組織細胞中、維持細胞基本穩(wěn)態(tài)的重要亞型。MCT1-4的膜定位需要糖基化分子伴侶蛋白，如協(xié)助MCT1、3和4定位的分子伴侶Basigin（也稱為CD147或EMMPRIN）和協(xié)助MCT2定位的分子伴侶Embigin（或gp-70）。

在生理條件下，MCT1-4協(xié)同糖酵解型細胞和氧化型細胞之間的乳酸穿梭，這是不同組織中乳酸穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵過程。該過程對于肌細胞和神經(jīng)細胞的能量代謝具有重要作用，如運動過程中白肌細胞產(chǎn)生的乳酸會被氧化型的紅肌細胞吸收，以糖酵解為主的神經(jīng)膠質(zhì)細胞產(chǎn)生的乳酸會被氧化型為主的神經(jīng)元吸收。因此MCT1的異常表達或者功能失活會導(dǎo)致多種人類疾病，包括乳酸轉(zhuǎn)運缺陷癥（SDLT）、家族性高胰島素性低血糖（HHF7）和單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1缺乏癥（MCT1D）。同時MCTs的表達改變也與神經(jīng)退行性疾病、癲癇、腦缺血等多種腦疾病密切相關(guān)。更重要的是，MCT1、2和4在多種癌癥中的高表達與癌癥的發(fā)展有密切關(guān)系。由MCT1和其他亞型共同介導(dǎo)的乳酸穿梭能夠連接以糖酵解為主要產(chǎn)能方式（Glycolytic tumor cell）和以線粒體氧化為主要產(chǎn)能方式（Oxidative tumor cell）的癌細胞使其形成協(xié)同代謝，從而促進腫瘤的發(fā)生與發(fā)展（圖1）。

圖1 MCT1-4介導(dǎo)的糖酵解型和氧化型腫瘤細胞之間的乳酸穿梭

由于其在癌癥發(fā)生中的重要作用，MCT1被認為是重要的癌癥治療靶點。多個早期研究已指出抑制MCT1活性能夠有效減緩癌細胞的生長和增殖。同時多個以MCT1為靶點的小分子抑制劑也被報道。其中，以正在進行針對癌癥一期臨床實驗的AZD3965分子最為引人注目。然而，由于缺乏結(jié)構(gòu)信息，MCT1的轉(zhuǎn)運機理和小分子抑制劑的抑制機制一直未被闡明。

2020年12月16日，清華大學(xué)研究員閆創(chuàng)業(yè)課題組和澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究員蔣鑫課題組合作在Cell上發(fā)表了文章Structural basis of human monocarboxylate transporter 1 inhibition by anti-cancer drug candidates，揭示了候選抗癌藥物對人源單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白抑制機理（圖2）。

圖2 MCT1/Basigin-2復(fù)合物與天然底物及三種經(jīng)典小分子抑制劑在不同構(gòu)象下的結(jié)構(gòu)

該論文報道了MCT1和其伴侶蛋白Basigin-2在結(jié)合天然底物乳酸和不同小分子底物抑制劑的單顆粒冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。通過對比外向開口構(gòu)象（Outward-facing conformation）的野生型MCT1結(jié)構(gòu)和模擬持續(xù)質(zhì)子化的D309N突變體的內(nèi)向開口構(gòu)象（Inward-facing conformation）結(jié)構(gòu)，研究人員闡明了MCT1的底物識別、質(zhì)子偶聯(lián)轉(zhuǎn)運和交替開放的機理（圖3A）。更進一步，文章通過解析MCT1/Basigin-2蛋白復(fù)合體與三個代表性小分子抑制劑AZD3965、BAY-8002和7ACC2的結(jié)構(gòu)在近原子水平上闡明了不同構(gòu)象下小分子抑制劑與MCT1蛋白的結(jié)合模式。（圖3B）。

圖3 單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白MCT1的轉(zhuǎn)運機制和小分子抑制劑的抑制機理

作為一期臨床實驗中的先導(dǎo)化合物，AZD3965代表了最有希望成為抗癌藥物的MCT1抑制劑。然而，由于AZD3965對于MCT1的選擇性抑制，其對于MCT1和MCT4高表達的癌細胞殺傷效果欠佳。為了給進一步藥物優(yōu)化提供信息，研究人員根據(jù)MCT1/Basigin-2與AZD3965結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)信息設(shè)計了一系列的突變體，通過生化功能實驗闡明了AZD3965對MCT亞型的選擇性機理。由此，該工作通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)相結(jié)合的手段闡明MCT1的轉(zhuǎn)運機理和小分子抗癌候選藥物的抑制機制，為進一步靶向MCTs的藥物發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

值得一提的是，MCT1/Basigin-2復(fù)合物沒有對稱性且分子量只有大約80kDa，并且胞外區(qū)域比較柔性，只有50kDa的穿膜區(qū)比較穩(wěn)定，這對冷凍電鏡的結(jié)構(gòu)解析形成了巨大挑戰(zhàn)。為了解決這些技術(shù)難題，研究人員設(shè)計了一種“降噪-再加權(quán)”(Noise reduction and re-weighting methods)的新型數(shù)據(jù)處理方法，結(jié)合之前開發(fā)的“引導(dǎo)性多參照三維分類”(Guided multi-reference 3D classification)方法，以及新的優(yōu)選顆粒輔助三維分類方法（Seed-facilitated 3D classification）有效地消除了蛋白外的噪音信號，進一步突破了冷凍電鏡解析非對稱性膜蛋白樣品的分子量下限，分辨率達到3 ?（圖2C、D）。這一方法將為進一步研究低分子量、非對稱性膜蛋白提供新的思路。 

文章的共同通訊作者為清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員閆創(chuàng)業(yè)和澳大利亞新南威爾士大學(xué)研究員蔣鑫；清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2016級博士生王楠和新南威爾士大學(xué)研究員蔣鑫為本文的共同第一作者；清華大學(xué)生命學(xué)院2017級博士生張碩和2019級博士生朱盎岐參與了數(shù)據(jù)收集和生化實驗；清華大學(xué)生命學(xué)院博士后袁亞飛、技術(shù)員徐翰文對本研究提供了幫助；清華大學(xué)冷凍電鏡平臺主管雷建林博士為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。實驗的電鏡數(shù)據(jù)采集受到清華大學(xué)冷凍電鏡平臺和西湖大學(xué)冷凍電鏡平臺的支持，實驗的計算工作得到清華大學(xué)高性能計算平臺、國家蛋白質(zhì)設(shè)施實驗技術(shù)中心（北京）的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.11.043

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關(guān)鍵詞:

轉(zhuǎn)運,質(zhì)子偶聯(lián),蔣鑫,MCT1,蛋白,乳酸,抑制劑,分子

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