综述：人类SGLTs的分子机制与计算见解：迈向选择性SGLT1抑制的进展

《Frontiers in Molecular Biosciences》：Molecular mechanisms and computational insights into human SGLTs: advancing toward selective SGLT1 inhibition

本综述系统梳理了钠-葡萄糖协同转运蛋白（SGLTs）的结构生物学与计算模拟研究进展，重点聚焦于利用冷冻电镜（cryo-EM）、分子动力学（MD）模拟及人工智能（如AlphaFold2）等技术揭示SGLT1与SGLT2的构象动力学、抑制剂结合模式及选择性差异，为理性设计高选择性SGLT1抑制剂（其在糖尿病、心血管疾病及癌症管理中潜力巨大）提供了新的综合框架与策略。

　　

引言：SGLTs概述

钠-葡萄糖协同转运蛋白（SGLTs）是一类重要的膜蛋白，在葡萄糖稳态中扮演关键角色。它们利用钠离子（Na⁺）的电化学梯度作为驱动力，以次级主动转运的方式将葡萄糖逆浓度梯度摄入细胞。SGLT家族中，SGLT1和SGLT2是研究最为深入的治疗靶点。尽管SGLT2抑制剂已在临床上广泛应用，但选择性SGLT1抑制剂的开发仍是一个尚未实现的目标，尽管其在管理糖尿病、心血管疾病和癌症方面展现出巨大潜力。

SGLT家族成员

SGLT家族属于SLC5A溶质载体家族，包括至少6种葡萄糖/己糖协同转运蛋白亚型（SGLT1-6）。SGLT1主要在小肠和肾脏近端小管S3段表达，负责肠道葡萄糖和半乳糖的吸收以及肾脏滤液中约10%的葡萄糖重吸收。它是一个高亲和力、低容量的转运蛋白，具有2:1的Na⁺-葡萄糖化学计量比。SGLT2则主要分布在肾脏近端小管S1和S2段，负责约80-90%的滤过葡萄糖重吸收，是一个低亲和力、高容量的转运蛋白，化学计量比约为1:1。SGLT3功能独特，它不转运葡萄糖，而是作为葡萄糖传感器。SGLT4、SGLT5和SGLT6则分别对甘露糖、果糖和肌醇等底物具有偏好性。

SGLT的结构特征

SGLTs是含有14个跨膜螺旋（TM0-TM13）的整合膜蛋白，具有典型的LeuT折叠结构。这种结构支撑着其“交替存取”的转运机制，即在向外开放、闭塞和向内开放等构象状态之间循环，从而耦合Na⁺和葡萄糖的转运。近年来，冷冻电镜技术的突破使得解析人类SGLT1和SGLT2的高分辨率结构成为可能，极大地增进了我们对底物/抑制剂结合和构象动力学的理解。

结构比较揭示，SGLT1和SGLT2在整体结构上保守，但也存在关键差异。例如，SGLT1拥有一个额外的钠离子结合位点Na3，而该位点在SGLT2中缺失。此外，SGLT2的胞外环EL5c上有一个组氨酸（H268），它与F98等残基形成一个“芳香笼”，增强了抑制剂（如达格列净）的结合，而SGLT1在相应位置是天冬氨酸（D268），不具备此特征。这些结构差异是设计选择性抑制剂的重要基础。

分子动力学（MD）模拟为静态结构注入了动态视角，揭示了转运蛋白的灵活性、底物结合机制和能量景观。模拟结果显示，Na⁺的结合稳定了向外开放的构象，而它的释放则促进了向内向开放状态的转变。

SGLT的转运周期与抑制机制

SGLT的转运周期始于向外开放状态（C1-C2），细胞外的Na⁺首先结合（在SGLT1中结合于Na2和Na3位点，SGLT2中仅为Na2位点），稳定该构象并为葡萄糖结合做准备。随后葡萄糖结合，转运体进入闭塞状态（C3）。接着发生显著的构象变化，转变为向内开放状态（C4-C6），将Na⁺和葡萄糖释放到胞质内。Na⁺的释放是随机的，并不严格遵循先糖后钠的顺序。最后，转运体复位到向外开放状态，完成一个循环。整个过程约在20毫秒内完成。

SGLT抑制剂（如天然产物根皮苷和合成药物格列净类）通常结合在向外开放的构象。它们的糖基部分占据葡萄糖结合腔，与保守残基（如N75/N78, H80/H83, Q457等）形成氢键；而糖苷配基部分则伸入由跨膜螺旋形成的胞外前庭，通过疏水相互作用等稳定结合。这种结合有效地“锁住”了转运蛋白，阻止其向内向开放状态转变，从而抑制葡萄糖的转运。研究表明，抑制剂的结合还会影响SGLT1固有的水通道功能，可能减少跨膜水渗透。

计算生物学在SGLT研究中的角色

计算方法是理解SGLT分子机制不可或缺的工具。同源建模可以基于已知结构预测未知SGLT亚型（如SGLT3-6）的三维结构。人工智能系统AlphaFold2能够高精度地预测蛋白质结构，其预测的SGLT1和SGLT2模型与实验解析的冷冻电镜结构高度一致，验证了其在膜蛋白研究中的价值。分子动力学（MD）模拟可以可视化构象变化，探究钠离子结合的稳定性以及抑制剂与蛋白的动态相互作用。结合自由能计算（如MM/GBSA方法）可以定量评估抑制剂与靶标的结合强度，并识别关键结合残基，这些计算结果与点突变实验数据高度吻合。三维参考相互作用位点模型（3D-RISM）水合分析则能预测结合位点周围的水合作用，解释水分子介导的相互作用如何稳定抑制剂结合。

这些计算预测与冷冻电镜结构解析、点突变、葡萄糖摄取/结合测定等实验方法相互验证，形成了一个强大的“收敛性”研究流程，将结构与功能紧密联系起来。

临床意义与选择性SGLT1抑制的未满足需求

SGLT2抑制剂已成为治疗2型糖尿病、心衰和慢性肾病的重要药物，其获益部分独立于降糖作用。然而，选择性抑制SGLT1具有独特的治疗潜力。通过抑制肠道SGLT1，可以减少葡萄糖吸收，刺激胰高血糖素样肽-1（GLP-1）分泌，从而改善血糖控制，并可能对心脏产生益处。双效SGLT1/SGLT2抑制剂索格列净已获批用于心衰治疗。此外，SGLT1在多种癌细胞（如三阴性乳腺癌、结直肠癌）中高表达，与肿瘤生长和不良预后相关，使其成为有潜力的抗癌靶点。

尽管前景广阔，实现高选择性SGLT1抑制仍面临挑战，主要障碍在于SGLT1和SGLT2结构的高度相似性。当前策略集中于利用已发现的细微差异：靶向SGLT1特有的Na3位点；设计分子与SGLT1的EL5c环上的极性残基（如D268）形成特异性相互作用；充分利用SGLT1中央结合腔更大的空间；以及探索靶向转运蛋白二聚化界面或调控蛋白MAP17相互作用位点等变构调节策略。

结论与展望

选择性SGLT1抑制剂的开发是糖尿病、心血管疾病和癌症治疗领域一个充满希望但尚未实现的目标。整合冷冻电镜、AlphaFold2预测、分子动力学模拟、自由能计算和人工智能等先进计算与实验方法，为我们提供了前所未有的原子水平视角来理解SGLT的分子机制。通过聚焦于SGLT1与SGLT2之间的关键结构差异（如Na3位点、EL5c环、中央结合腔尺寸等），并采用变构调节等创新策略，有望克服选择性难题。未来，持续将计算预测与实验验证相结合，将加速推动针对SGLT1的理性药物设计，最终实现其巨大的治疗潜力。