人牛磺酸转运蛋白TauT的结构解析揭示底物与抑制剂识别机制及其在疾病治疗中的潜力

《Cell Reports》：Structural determination of the human taurine transporter TauT reveals the mechanism of substrate and inhibitor recognition

　　本研究针对牛磺酸转运蛋白TauT结构机制不清、抑制剂开发缺乏结构基础的问题，通过冷冻电镜技术解析了人源TauT在apo、底物结合及三种抑制剂结合状态下的高分辨率结构。研究首次揭示了TauT向内开放与闭塞构象的动态转换机制，阐明了Na+/Cl-依赖的底物识别原理，并发现了强效抑制剂GES的双分子抑制新模式，为针对TauT相关疾病（如心肌病、癌症）的靶向药物设计提供了关键结构基础。

　　

在人体内，一种名为牛磺酸的含硫氨基酸扮演着多重关键角色——从抗氧化、抗炎症到调节细胞渗透压，这种小分子对维持心脏、大脑和视网膜等组织的正常功能至关重要。然而人体内牛磺酸的生物合成能力随年龄增长而下降，细胞主要依靠细胞膜上的"搬运工"——牛磺酸转运蛋白（TauT，由SLC6A6基因编码）来摄取血液中的牛磺酸。当这个转运蛋白出现故障时，会导致心肌病、视网膜变性、神经系统异常甚至癌症等多种疾病。尽管TauT的生物学重要性早已明确，科学家们对其如何精确识别底物、如何被抑制剂阻断等分子机制却一直知之甚少，这严重制约了相关靶向药物的开发。

为了揭开这些谜团，北京大学尹玉新教授团队在《Cell Reports》上发表了突破性研究。他们采用单颗粒冷冻电镜技术，成功解析了人源TauT在五种不同状态下的原子结构：无底物状态（apo）、底物牛磺酸结合状态，以及与三种抑制剂（β-丙氨酸、GABA和GES）的复合物结构。这些结构像一套分子级别的"连续快照"，首次完整展现了TauT的工作机制。

研究团队首先通过非洲爪蟾卵母细胞表达系统验证了hTauT的转运功能，测得其对牛磺酸的转运K_M值为7.62±1.96 μM。随后利用HEK293F细胞系统表达并纯化得到高质量蛋白样品，通过优化冷冻制样条件，获得了分辨率达2.9-3.3 ?的结构数据。在结构解析过程中，采用cryoSPARC软件进行数据处理，通过Topaz颗粒挑选、多轮二维分类和三维重构等步骤，最终通过非均匀优化和局部细化获得高质量密度图。模型构建结合AlphaFold2预测与手动修正，使用Coot和Phenix进行模型优化和验证。功能性验证则通过点突变结合放射性标记底物摄取实验，利用流式细胞术检测突变体蛋白膜定位情况。

整体结构特征

研究揭示hTauT采用经典的LeuT折叠方式， transmembrane helix（TM）1-5与TM6-10呈现伪二次对称排列。apo状态结构显示蛋白处于向内开放构象，中央底物结合位点可直接从胞质侧访问。值得注意的是，在NaCl存在条件下，底物牛磺酸及抑制剂β-丙氨酸、GABA结合时，hTauT均采取闭塞构象；而在KCl环境中，GES结合则使蛋白保持向内开放构象，这一现象提示Na⁺离子在构象转换中起关键作用。

牛磺酸与离子结合位点

在hTauT_TAU结构中，牛磺酸分子结合于由TM1、TM3、TM6和TM8形成的中央口袋中。其磺酸基团与Na⁺1位点的钠离子配位，并与G62、S402等残基形成氢键网络；氨基基团则与F300的羰基形成氢键。突变实验显示，参与配位的S402A、Y138A和F300A突变完全消除了转运活性，证实这些残基在底物识别中的关键作用。同时，研究在保守的氯离子结合位点观察到Cl^-密度，该位点由Y83、Q297、S337和S301共同协调。

β-丙氨酸结合模式

作为牛磺酸的类似物，β-丙氨酸以相似方式结合于中央口袋，但其羧基基团与Na⁺的配位方式略有不同。结构比较发现，从向内开放到闭塞构象的转换伴随着TM1a的显著构象变化：F58残基的摆动使胞质侧通道关闭，同时疏水相互作用和盐桥（如R41-D416）共同稳定了闭塞状态。

GABA的配位机制

与β-丙氨酸相比，GABA的碳链延长一个原子，其结合模式发生明显改变：羧基基团同时与G62和Y138相互作用，而氨基基团则与E406和水分子形成氢键网络。特别值得注意的是，该结构中清晰观察到Na⁺2位点的钠离子密度，但Na⁺1位点密度缺失，提示不同抑制剂可能通过调节钠离子结合影响转运循环。

GES抑制机制的结构基础

最引人注目的发现来自GES-hTauT复合物结构。在钾离子存在条件下，两个GES分子以独特的分区方式结合于转运路径中：GES1位于深部空腔，其磺酸基团占据subsite C；GES2则平行于转运通道，直接阻碍构象向闭塞状态转换。这种双分子抑制模式为设计高亲和力抑制剂提供了新思路。功能实验显示，E406A突变显著降低GES抑制效力，证实该残基在长链抑制剂识别中的重要作用。

本研究通过多状态结构解析与功能验证，系统阐明了TauT的底物识别、离子依赖性和抑制剂作用机制。研究发现不仅揭示了TauT与其他SLC6家族转运蛋白的保守机制，更发现了其独特的构象调控特性——特别是Na⁺离子在稳定闭塞构象中的关键作用，以及GES通过双分子结合阻止构象转换的创新抑制模式。这些发现为理解TauT相关疾病的分子基础提供了重要见解，更为开发针对心肌病、视网膜病变和TauT过表达癌症的靶向疗法奠定了结构基础。尽管研究在局部密度解析和构象覆盖方面存在局限，但其建立的结构框架将推动未来基于结构的药物设计，助力开发具有更高选择性和效力的TauT调节剂。