近日，南方科技大学生命科学学院化学生物学系助理教授闫凯歌团队在Nature Communications期刊发表题为“Molecular basis of human taurine transporter uptake and inhibition” 的研究论文。研究团队利用冷冻电镜三维重构技术解析了牛磺酸转运蛋白（TauT）的三维结构，揭示了其底物结合和抑制剂抑制机制以及构象变化，为理解TauT转运机制和相关疾病机制提供了重要的分子基础。

牛磺酸作为一种在哺乳动物体内广泛分布的含硫氨基酸，对神经发育、视网膜健康、免疫调节、衰老肥胖及代谢平衡等生理过程起着至关重要的作用。TauT作为牛磺酸跨膜转运的关键蛋白，其功能异常与男性不育、视网膜病变及胃癌、结直肠癌等多种癌症的发生密切相关。然而，人源TauT的转运机制、底物特异性以及抑制剂识别和抑制机制的分子基础尚未明确，这对相关药物的开发形成了限制。深入研究TauT的结构与功能，对理解其底物选择、转运机制和抑制机制，以及阐明相关疾病的发病机制具有重要意义。

图1.人源 TauT 的转运及抑制机制

在本研究中，闫凯歌团队成功解析了TauT结合不同底物或底物类似物的高分辨率冷冻电镜结构，揭示了其具体结合模式。当TauT与底物牛磺酸或底物类似物β-丙氨酸结合时，TauT被捕获为闭塞构象，而底物类似物胍基乙酸和γ-氨基丁酸将TauT稳定在中间态构象。研究团队结合结构研究和生化分析，发现TauT通过其中心结合腔（由TMs 1，3，6和8围绕）与牛磺酸及其类似物特异性结合，腔内的关键残基如Gly62和Tyr138在同家族成员中高度保守。研究团队通过生化分析和结构比较，确定了Leu134和Glu406两个关键氨基酸残基在TauT底物特异性中的核心作用，该研究结果为理解GABA转运蛋白亚家族的底物选择性提供了崭新视角。

本研究还解析了TauT与六种不同抑制剂的冷冻电镜复合物结构。研究结果显示，这些抑制剂通过占据底物结合腔，以不同的构象稳定TauT，从而阻断底物牛磺酸的转运。除了抑制剂胍基乙磺酸（GES）将TauT稳定于闭塞构象，剩下的五个抑制剂将TauT稳定于向内开放构象。研究人员对上述六种抑制剂结构以及与结合牛磺酸的TauT结构进行综合比较分析，发现抑制剂具有较大体积和较长碳连接体的结构特性，会阻碍TauT转运过程所需的构象变化，从而抑制底物转运过程。此外，研究团队通过结构和序列比较分析发现，TauT和同家族转运蛋白GAT1结合抑制剂尼泊酸的结构呈现出不同的构象偏好，但尼泊酸与这两种转运蛋白的结合位姿和相互作用模式几乎相同。因此，研究团队推测结合口袋的不保守残基可能存在影响尼泊酸与TauT和GAT1结合的亲和力差异。这些研究发现为设计高效特异的TauT抑制剂提供了重要线索。

研究团队还结合不同构象的TauT结构，揭示了TauT转运机制的分子机理。研究显示，TM1和TM6在底物识别和构象转变方面具有关键作用。N端残基Arg41与TM6和TM8存在广泛相互作用，此作用封闭了细胞内的通道，稳定了TauT的闭塞构象。在该构象中，能够清晰地看到两个钠离子和一个氯离子。相比之下，TauT中间态构象的TM1解开小角度螺旋，且Na2位点处的钠离子产生溶剂化现象。当TauT转变为向内开放的构象时，TM1a解螺旋，破坏了细胞内通道的相互作用，并导致底物牛磺酸从结合口袋中释放出来。氯离子结合位点的守恒性密度证实了牛磺酸转运对氯离子的依赖。本研究描绘了TauT从闭塞状态到向内开放状态的转变过程，增进了对牛磺酸释放机制的理解。该研究成果不仅深化了对牛磺酸转运机制的科学认知，更为未来针对TauT的药物研发奠定了坚实的结构基础。

南方科技大学生命科学学院博士生杜博文、硕士生谢嘉英和清华大学药学院博士后程丽丽为论文共同第一作者。闫凯歌和清华大学药学院陈立功教授为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位及通讯单位。该研究得到国家自然科学基金委、广东省科学技术厅、深圳市科创委、南方科技大学高分辨生物电镜结构研究院和南方科技大学冷冻电镜中心的资金和技术支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62857-w

供稿：生命科学学院

文字：闫凯歌、杜博文

通讯员：邹冬霞、李沐涵

主图：丘妍

编辑：任奕霏