人源MATE1转运蛋白的药物识别结构基础揭示多药外排机制

《Nature Communications》：Structural basis of drug recognition by human MATE1 transporter

本研究通过冷冻电镜技术解析了人源多药及毒素外排蛋白1（hMATE1）与其底物（1-甲基-4-苯基吡啶鎓MPP+和二甲双胍）及抑制剂（西咪替丁）的复合物结构，首次揭示了位于C叶带负电口袋的共享结合位点。研究人员结合放射性摄取实验和分子动力学模拟，验证了E273、E389等关键残基在药物识别中的功能，阐明了hMATE1底物特异性的结构基础，为理解药物清除机制及药物-药物相互作用提供了重要理论支撑。

　　

在药物代谢与排泄的复杂网络中，膜转运蛋白扮演着“分子守门人”的关键角色。其中，人源多药及毒素外排蛋白1（hMATE1）作为肾小管上皮细胞和肝细胞顶膜的重要转运体，负责将多种阳离子药物（如糖尿病一线用药二甲双胍）及其代谢产物从体内排出。这一过程不仅直接影响药物疗效和毒性，还常因药物相互作用（如西咪替丁抑制二甲双胍排泄）引发临床问题。然而，由于缺乏高分辨率结构信息，hMATE1如何特异性识别结构各异的底物、其质子耦合转运的分子机制等关键科学问题长期悬而未决。

为破解这一难题，苏黎世联邦理工学院Kaspar P. Locher团队联合伯尔尼大学、芝加哥大学的研究人员，在《Nature Communications》发表了突破性研究。他们成功解析了hMATE1在天然脂质环境中的精细结构，首次揭示了药物识别的结构密码。该研究通过创新性地使用特异性抗体片段（Fab）稳定小型膜蛋白构象，攻克了62 kDa小分子量蛋白高分辨率结构解析的技术瓶颈。

研究团队主要采用以下关键技术路径：首先利用噬菌体展示技术筛选获得两种构象特异性Fab（MATE1_Fab 3/6），通过冷冻电镜解析了apo状态（2.95 ?）及三种配体复合物结构（二甲双胍2.3 ?、MPP⁺ 3.1 ?、西咪替丁3.3 ?）；进而采用放射性同位素标记的MPP⁺摄取实验验证关键残基功能；最后通过分子动力学模拟（4×600 ns）揭示配体在结合口袋内的动态行为。

结构分析显示，hMATE1采用典型MATE家族折叠，包含12个跨膜螺旋组成的N叶和C叶，并具有独特的第13跨膜螺旋（TM13）。所有结构均呈现向外开放构象，药物结合口袋位于C叶的带负电腔室中。

底物结合口袋的结构特征

结合口袋由E273、E389两个保守谷氨酸和W274、Y277、Y299、Y306等芳香族残基构成负电环境。特别值得注意的是，apo结构中W274存在双构象旋转异构体，而底物结合后稳定为W274-2构象，提示该残基在口袋开合中起“门控”作用。

配体结合模式的差异

分子动力学模拟揭示了三类配体的动态结合特征：二甲双胍因分子小巧在口袋内呈现高流动性；西咪替丁的甲基咪唑环被Y277/Y306“锁定的”π-π堆叠，氰基胍部分则与W274发生疏水作用；MPP⁺的甲基吡啶环与Y277形成稳定堆叠，整个分子在静电吸引下偏向E389。这种结合模式的差异解释了西咪替丁（IC₅₀=2.7 μM）比二甲双胍（IC₅₀=58 μM）抑制效力强20倍的原因。

功能验证实验

通过点突变实验发现，E273A/E389A/W274A完全 abolished MPP⁺摄取活性，Y277A突变也使转运功能丧失，而Y277F可部分恢复功能，证明芳香环在该位点的关键作用。竞争抑制实验进一步显示，不同突变对二甲双胍和西咪替丁的IC₅₀影响存在差异，表明hMATE1对不同底物存在特异性识别模式。

与真核生物MATE结构的比较

与植物来源的CasMATE、AtDTX14结构对比发现，在pH 5.0条件下AtDTX14的TM7发生54°弯折，导致结合口袋坍塌，提示质子化状态可能引发构象变化。hMATE1结构中观察到的胆固醇分子（来自纳米盘重建）则为研究脂质调控转运功能提供了新线索。

转运机制模型

基于结构数据，研究团队提出完整的质子耦合转运循环：底物结合于向外开放状态→质子结合引起TM7构象变化→口袋坍塌形成向外封闭状态→构象转变为向内开放→底物释放至胞质。其中W274的构象转换可能通过屏蔽谷氨酸残基促进质子化，而TM7的移动是实现构象重排的核心。

这项研究首次在原子水平揭示了hMATE1的药物识别机制，不仅解决了长期以来关于底物结合位点位置的争议（C叶而非N叶），更通过整合结构生物学、功能实验和计算模拟，建立了从静态结构到动态机制的完整认知框架。这些发现为预测药物相互作用、设计选择性抑制剂以及开发基于转运蛋白结构的个体化用药策略提供了关键理论基础，对提升临床用药安全性和有效性具有深远意义。