Nature子刊：人类膜蛋白达到进化平衡

由首尔国立大学的Tae-Young Yoon博士领导的一个研究团队——世界上第一个在体外观察葡萄糖转运蛋白的折叠过程——发现了后生动物膜蛋白的一个共同进化原则。在它们的进化史上，膜蛋白必须在它们折叠成结构的能力和它们跨越细胞屏障运输糖的能力之间取得平衡。

　　

   

   

图片:葡萄糖转运体的折叠过程

资料来源:首尔国立大学

细胞被膜隔开，细胞膜上的蛋白质在运输各种细胞信息方面起着非常重要的作用。为了使这些蛋白质发挥适当的功能，必须通过正确的折叠过程形成三级蛋白质结构。在Yoon的研究中，葡萄糖转运蛋白(一种复杂的膜蛋白)的折叠过程首次使用单分子磁镊进行了识别。特别是利用内质网(ER)膜蛋白复合物(EMC)和具有特定结构的脂质分子，充分阐明了生理环境中葡萄糖转运蛋白的折叠途径。最后，通过生物信息学的研究发现，膜蛋白的结构形成能力和转运葡萄糖的能力在其进化史上必须达到一种平衡。

尽管许多膜蛋白(包括葡萄糖转运体)的结构已经通过结构生物学的最新进展(如低温电子显微镜)被揭示，但这些膜蛋白结构形成的折叠途径几乎是完全未知的。尹教授组在2019年发表在《科学》杂志上的论文中表示:“利用磁性镊子可以发现膜蛋白的折叠途径。”这是世界上首次发现膜蛋白的折叠途径。磁性镊子可以用来对单个蛋白质施加力，从而完全展开蛋白质的结构。此外，如果降低施加的力，就有可能观察到释放的蛋白质重新折叠成原来的折叠形状的过程(图1,2)。

葡萄糖转运蛋白，顾名思义，是一组具有葡萄糖可以通过的通道的蛋白质。葡萄糖转运途径在功能上是必不可少的，但另一方面，这些途径又阻碍了膜蛋白三级结构的形成。细胞有各种各样的帮手来解决这些难题。在本研究中，我们发现蛋白质伴侣的EMC与结构独特的脂质分子共同作用，帮助葡萄糖转运体的结构形成。

具体来说，我们证实了位于n端的半数葡萄糖转运蛋白对应的结构域与随后的c端结构域的蛋白相比具有更稳定的结构形式。葡萄糖转运蛋白的这一特性被发现在所有的后生糖转运蛋白中都是保守的(图3)。由此可以得出结论，细胞必须通过牺牲部分结构形成能力来达到结构平衡，才能通过发育具有高度功能的伴侣或结构独特的脂质分子来获得功能更优越的膜蛋白。

利用生物信息学方法对GLUT3及其他与进化相关的糖转运蛋白进行序列分析。共分析了143个蛋白，并以系统发育树的形式呈现，如图左图所示。对包括现代人在内的后生动物的糖转运蛋白序列进行了详细分析，如右图所示。结合这些数据和通过磁性镊子观察到的折叠途径的信息，揭示了膜蛋白的结构形成能力和有效运输糖的能力都是通过进化平衡发展的。

文章标题

Evolutionary balance between foldability and functionality of a glucose transporter