综述：跨越边界：血脑屏障中的氨基酸转运蛋白LAT1（SLC7A5）

本综述深入探讨了氨基酸转运蛋白LAT1（SLC7A5）在血脑屏障（BBB）中的核心作用。文章系统阐述了LAT1的功能特性、结构基础、调控机制及其在脑生理和多种病理状态（如癌症、神经退行性疾病、代谢障碍）中的关键意义，并重点评述了以其为靶点进行脑部药物递送的治疗策略前景，为相关领域研究提供了重要见解。

　　

摘要

血脑屏障（BBB）是控制营养物质、代谢物和外源物质进出大脑的关键解剖结构。这一功能主要由属于SLC和ABC超家族的特定离子通道和膜转运蛋白协同完成。其中，溶质载体家族7成员5（SLC7A5），即L型氨基酸转运蛋白1（LAT1），因其在BBB中的表达及其对必需氨基酸和多种药物的转运能力而备受关注。LAT1在BBB血管、神经元和小胶质细胞膜上均有表达，连接着人脑的不同区域。本综述将详细描述LAT1的功能、结构和调控特征，并重点讨论其在脑稳态背景下的药理学意义。

1. 引言

血脑屏障是中枢神经系统（CNS）高度发达的生物体中的一种解剖结构，是代谢物、毒素和药物等任何靶向大脑分子双向流动的主要调节器。大脑内皮细胞（ECs）是BBB的核心解剖元件，其特点是存在细胞间紧密连接（TJs）且无窗孔，这极大地限制了分子的旁细胞和跨细胞运动。此外，周细胞、星形胶质细胞等其他细胞类型也与内皮细胞、细胞外基质成分以及小胶质细胞和免疫细胞共同构成神经血管单元。

BBB的选择性屏障功能依赖于有限数量的SLC和ABC超家族膜转运蛋白的表达。例如，SLC1和SLC38家族的成员参与对脑代谢和神经传递至关重要的氨基酸（如谷氨酰胺和谷氨酸）的转运；SLC2、SLC7、SLC16、SLC21和SLC22家族的成员则负责转运必需氨基酸、葡萄糖、肉碱、阳离子、阴离子等大脑发育和功能所需的营养物质。这些蛋白质的协同、精细调控作用为大脑创造了不同于血浆成分的稳定、安全微环境。

LAT1是SLC7家族中一个引人入胜的成员，因其独特的多功能性而受到关注。它是公认的必需氨基酸和药物转运蛋白。LAT1在BBB中的表达使其成为维持必需氨基酸稳态和调节某些已知为其底物的药物通量的关键参与者。此外，LAT1可用于递送靶向脑部疾病的新型前体药物，使其成为设计脑特异性药物的有趣模板。

2. SLC7A5的表达与细胞定位

LAT1（SLC7A5）基因位于16q24.2，包含4556个核苷酸和10个外显子。除了编码507个氨基酸蛋白（预测分子量为55,010 Da）的已知转录本NM_003486.6外，Ensembl中还报道了另外两个由可变剪接产生的转录本：SLC7A5-203（241个氨基酸）和SLC7A5-204（525个氨基酸）。目前对这些剪接变体的生理功能尚不清楚。

经典mRNA（亚型SLC7A5-201）在多个组织中均有表达，其中在骨髓、大脑、睾丸、胎盘和视网膜中表达最高。在大脑中，LAT1表达于实质细胞、神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞。在上皮细胞中，LAT1定位于基底侧膜。有趣的是，推测LAT1在大脑内皮细胞中的表达也是不对称的，基底侧膜上的表达量较低。

LAT1的氨基酸序列在不同物种间高度保守。然而，尽管序列相似，但在转运蛋白表达、定位和功能活性方面存在一些差异。例如，LAT1在人脑中的表达量比小鼠或大鼠低五倍，这与苯丙氨酸在人脑微血管中的V_max显著低于啮齿类动物相一致。

3. LAT1在脑生理和病理中的功能特性

LAT1在维持大脑氨基酸稳态方面的生理相关性已得到广泛认可。其功能基础是以1:1化学计量的钠非依赖性方式，进行必需氨基酸（如亮氨酸、组氨酸、色氨酸、苯丙氨酸）的强制性反向转运。这种不对称转运在体外蛋白酶体模型中得到证实，其中组氨酸是首选的向外转运底物，用以交换其他高亲和力底物如亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸。体内条件性敲除LAT1的小鼠也证实了这一点，它们表现出大脑中组氨酸积累增加，伴随亮氨酸和苯丙氨酸水平显著降低。

LAT1表现出动力学不对称性：其细胞内K_m较高，细胞外K_m较低，这与其底物较高的细胞内浓度和较低的细胞外浓度相关。基于这种不对称的反向转运机制，LAT1是一个“协调者”，有助于根据细胞代谢需求维持细胞内和细胞外氨基酸浓度。

在脑生理方面，LAT1在BBB中的存在对于维持该区域蛋白质合成速率可能至关重要。在苯丙酮尿症（PKU）中，血液苯丙氨酸水平升高导致大脑中苯丙氨酸过量，引发智力残疾。LAT1基因的rs113883650变异与未经治疗的PKU患者较高的苯丙氨酸浓度相关，支持了不同转运效率导致苯丙氨酸在大脑中积累的假说。

除蛋白质合成外，LAT1底物还用于信号传导和调节功能，例如褪黑激素和血清素的合成。因此，通过BBB的色氨酸通量减少会改变血清素能神经传递和昼夜节律。色氨酸还可降解为犬尿氨酸，进而转化为具有神经毒性的犬尿氨酸代谢物，这是炎症诱导抑郁症状的原因之一。大量文献涉及色氨酸衍生的犬尿氨酸在从神经炎症到阿尔茨海默病（AD）、帕金森病（PD）和胶质母细胞瘤（GBM）等神经系统疾病中的作用。

最近研究表明，LAT1可以转运铜-组氨酸复合物，有助于维持铜稳态。此外，由于半胱氨酸是谷胱甘肽（GSH）的前体之一，LAT1可被视为氧化还原稳态和活性氧（ROS）解毒的一个因素，具有神经保护作用。

LAT1还能识别非氨基酸底物，包括甲状腺激素、多巴胺前体L-DOPA以及其他氨基酸衍生物如S-亚硝基半胱氨酸。最近，大蒜中的有机硫化合物S-烯丙基半胱氨酸（即蒜氨酸）也被确定为LAT1的生理底物，其抗氧化特性在AD、PD和脑缺血中可能具有重要意义。

LAT1还被认为是药物和前体药物的转运蛋白以及毒物的转运蛋白。其明显的广泛特异性受到一些关键结构约束：邻近的羧基和氨基基团是必需的；侧基的疏水性是必需的；大侧基的存在是重要的。

4. LAT1稳定性和转运功能的调控特性

LAT1的一个显著特征是它与属于SLC3家族的辅助蛋白CD98（或4F2hc SLC3A2）通过保守的二硫键形成异源二聚体。CD98具有广泛N-糖基化的胞外结构域，对于将异源二聚体导向质膜至关重要。CD98的N-糖基化对于稳定性也是必要的。最近报道，CD98的丝氨酸磷酸化参与将异源二聚体运输到质膜。此外，LAT1和CD98之间的相互作用被认为是LAT1 S-棕榈酰化的原因。

另一种翻译后修饰——泛素化，似乎对LAT1的内吞和降解很重要。E3泛素连接酶Nedd4-2负责LAT1胞质N端尾部三个相邻赖氨酸残基的泛素化。LAT1/CD98在溶酶体中的替代定位也被提出，突出了溶酶体蛋白LAPTM4b在招募异源二聚体以激活mTORC1中的作用。

近年来，另一个吸引显著关注的LAT1调控特性是细胞膜组成对其稳定性和功能性的影响。胆固醇耗竭会降低LAT1介导的L-DOPA转运的V_max。低温电子显微镜（CryoEM）结构证实了多个胆固醇结合位点的存在。胆固醇与LAT1相互作用的一个特殊后果是形成了一个由关键赖氨酸残基K204表征的ATP结合变构位点。在胆固醇存在下，ATP协同刺激LAT1功能，增加V_max，但不改变组氨酸或ATP水解的K_m。

胆固醇还负责稳定异源二聚体结构。最近证明，7-酮胆固醇对LAT1功能和稳定性有不利影响。另一种近期发现的磷脂介导的调控是：与质膜中嵌入的四个磷脂酰乙醇胺分子的相互作用被证明可驱动异源二聚体超二聚体 - (LAT1/CD98)₂ - 的形成。

5. LAT1的结构特性

LAT1/CD98异源二聚体是SLC超家族成员中的一个显著特征。其三维结构的解析得益于CryoEM技术的发展。LAT1的整体结构是APC成员的典型结构，由一个由10个跨膜螺旋（TM）组成的核心（以“5+5”反向重复拓扑结构组织）和两个α螺旋（TM11和TM12）构成。该核心包含三个子结构域：hash（TM3, 4, 8, 9）、bundle（TM1, 2, 6, 7）和arms（TM5, 10）。底物结合位点位于bundle结构域，由彼此面对且不连续的TM1和TM6螺旋形成的空腔构成。

残基F252对于门控和底物转运至关重要。LAT1基因的天然突变A246V与家族性自闭症谱系障碍（ASD）相关，该突变导致LAT1-A246V完全功能障碍，导致大脑氨基酸稳态失衡。最近，通过解析与抑制剂（如JX-075, JX-078, JX-119）共存的三维结构，获得了关于LAT1与其配体相互作用的更多结构信息。结果表明LAT1底物结合口袋不是刚性或预定义的，而是由高度可动的元件（TM1, 6, 10, 3）组成，能适应底物的大小。

除了二硫键，CryoEM结构揭示了LAT1带负电的表面与CD98带正电的表面之间表面静电相互作用的关键作用。异源二聚体超二聚体的形成被归因于CD98的N-糖链和酸性pH。

CryoEM结构结合深入的计算机分析显示了胆固醇对LAT1功能产生积极影响的分子基础。在结合LAT1的四个胆固醇分子中，靠近TM9（hash结构域）的CHOL3位点与LAT1的相互作用最稳固。分子动力学（MD）模拟也确定了相互作用的关键LAT1残基：E457、S390和S395。

LAT1含有12个半胱氨酸残基，这一特性与LAT1的生物学和药理学相关。LAT1/CD98异源二聚体的形成是通过两个保守的半胱氨酸残基之间的二硫键发生的。此外，两个半胱氨酸残基 - C335和C407 - 位于底物结合位点附近，这一特征已被用于靶向共价抑制剂（TCIs）的概念验证研究。

6. LAT1在脑相关疾病中的成药性

近年来，LAT1在BBB的定位推动了研究其在治疗神经系统疾病（如AD、PD、ASD、PKU、惊厥、神经炎症、GBM、疼痛、衰老和认知障碍）中潜在作用的研究。LAT1在药物和前体药物递送中的作用尤为重要，因为BBB阻止了外源物质进出大脑的通量，导致药物疗效降低。

前体药物方法被认为是药物化合物穿过BBB到达大脑最可行的方法之一，而LAT1被视为原型蛋白。一些尝试通过使用涂有LAT1底物并装载脑靶向药物的纳米载体来改善向BBB的药物递送。

多年来，基于LAT1的药物和前体药物的开发遵循了一条平行的道路。第一个被鉴定为LAT1相互作用物的分子是作为正位竞争性抑制剂的底物类似物。最显著的例子是酪氨酸类似物JPH203（也称为KYT-0353），它已进展到用于治疗胆道癌的II期临床试验。

一系列与其他LAT1底物结构相似的配体已被提出。一些抑制剂在完整细胞中被发现是特异的LAT1底物。几种化合物已通过可水解裂解的键与LAT1底物缀合。这些化合物在模型组织中的递送效果已通过增加的脑/血浆AUC比以及随后在神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中的积累进行了评估。

LAT1介导的药物摄取也可用于对抗癌症化疗耐药性。在这方面，LAT1可作为GBM的特洛伊木马。BBB渗透化合物QBS10072S为克服TMZ耐药提供了新方法。此外，LAT1的特性多年来已用于诊断；用于癌症诊断的正电子发射断层扫描（PET）探针基于LAT1底物。

结论与未来展望

现代药学的挑战之一是药物和前体药物进入大脑以治疗神经系统疾病和脑肿瘤，这是由于BBB的存在。然而，质膜转运蛋白LAT1因其在BBB和脑细胞中的定位而被认为是转运蛋白介导方法的有希望的候选者。

一个尚未解决的问题与穿过BBB后的及时生物转化有关。前体药物需要被修饰并因此在大脑中激活。由于对参与生物转化的酶缺乏了解，目前尚无完整认识。评估脑靶向药物的疗效和药代动力学是另一个瓶颈。

在考虑LAT1对BBB药物渗透的贡献时，应注意其辅助蛋白CD98不能被看作是被动的参与者。CD98是一个多功能枢纽蛋白，其作用远不止将SLC7轻亚基运输到细胞膜。因此，可以合理假设LAT1/CD98相互作用可能调节LAT1配体的效力和功效。

LAT1是一个强制性反向转运蛋白，这意味着每摄取一个药物分子，必须释放一个氨基酸，从而改变细胞内氨基酸池。因此，识别底物交换机制的分子基础可能使转运蛋白切换到单向转运模式。这将使药物/前体药物能够在细胞中积累而不改变细胞内氨基酸池。

结构生物学的进步，加上基于AI的工具的重大发展，提高了计算机预测和分子对接分析识别新底物和变构相互作用物的准确性。最后，药物重定位方法被认为是神经治疗领域的革命，可提供能够穿过BBB的即用型LAT1底物。这可能为改善神经系统疾病和脑部疾病的疗法铺平道路。