LAT1转运蛋白的结构基础揭示抗癌药物识别与氨基酸转运的分子机制

本研究针对L型氨基酸转运蛋白1(LAT1/SLC7A5)在癌症治疗中的关键作用，通过冷冻电镜技术解析了JPH203等抑制剂与LAT1结合的六种结构，揭示了该转运蛋白三种构象下的底物识别与抑制机制。研究发现抗癌药物JPH203通过独特的U型构象将LAT1锁定在向外开放状态，而经典抑制剂BCH则诱导闭塞构象，阐明了不同抑制剂的分子作用差异。该成果为设计靶向LAT1的抗癌药物提供了重要结构基础，论文发表于《Nature Communications》。

　　

在癌症生物学领域，L型氨基酸转运蛋白1(LAT1/SLC7A5)一直被视为极具潜力的治疗靶点。这种特殊的转运蛋白不仅负责运输必需氨基酸，还能转运甲状腺激素T₃/T₄和多种抗癌药物，如治疗多发性骨髓瘤的马法兰(melphalan)。更引人注目的是，LAT1在大多数恶性肿瘤中过度表达，为癌细胞提供增殖所需的"营养补给"，使其成为抗癌药物开发的"明星靶标"。然而长期以来，科学家们对LAT1如何区分底物和抑制剂、特别是临床相关药物的分子机制知之甚少，这严重制约了靶向药物的理性设计。

来自马克斯·普朗克生物物理研究所(Max Planck Institute of Biophysics)等机构的研究团队通过冷冻电镜技术，成功解析了LAT1与不同配体结合的六种高分辨率结构，包括抗癌药物JPH203(又称nanvuranlat)、经典抑制剂BCH以及天然底物L-苯丙氨酸(L-Phe)等。这些结构揭示了LAT1在三种不同构象下的精细变化，为理解其转运和抑制机制提供了原子水平的见解。这项突破性研究发表在《Nature Communications》上，为开发新一代抗癌药物奠定了重要基础。

研究人员采用多项关键技术：1)将LAT1-CD98hc复合物重构到含有胆固醇的纳米脂质盘中，模拟天然膜环境；2)开发特异性抗体Fab片段作为冷冻电镜标记；3)通过多体聚焦细化提高跨膜域分辨率；4)利用非洲爪蟾卵母细胞系统进行功能性验证实验；5)采用差异映射技术验证配体结合。

研究结果部分，首先在"LAT1与JPH203结合的结构基础"中发现，这种抗癌药物通过独特的U型构象将LAT1"锁死"在向外开放状态。JPH203的5-氨基-2-苯基苯并恶唑侧基意外地没有进入预测的"远端口袋"，而是推挤跨膜螺旋3(TM3)并使TM10弯曲。关键残基Phe252与JPH203末端苯基形成T型π-π堆积，而Tyr259则与其氯原子形成卤键。这些相互作用共同导致底物结合口袋扩大，固定了LAT1的开放构象。

在"Phe和马法兰在口袋中表现出不同程度的相互作用"部分，研究发现生理底物L-Phe仅与Gly255形成范德华力作用，而抗癌药马法兰的bis-(2-氯乙基)氨基侧链则与TM3、TM6a和TM10形成空间位阻。这种立体阻碍解释了为何马法兰虽然能被转运但速率较慢，同时也具有抑制活性。特别值得注意的是，马法兰的两个氯乙基分别指向上下方向，与Tyr259和Asn404形成卤键，这些额外相互作用限制了构象变化。

"非选择性系统L抑制剂BCH诱导闭塞状态"的发现尤为关键。与JPH203不同，BCH使LAT1呈现完全闭塞构象，配体被完全密封在膜中。BCH的降冰片烷基与Ser144、Ile147和Val148接触，而Phe252像"盖子"一样覆盖在BCH上方。TM10旋转约70°形成直螺旋，使Phe400与BCH侧面接触。这些变化使口袋刚好能容纳BCH，与JPH203引起的口袋扩张形成鲜明对比。

转运实验证实了结构观察：在"JPH203阻断转运而BCH诱导反向转运"部分，研究发现BCH能像底物一样诱导L-亮氨酸(L-Leu)外排，而JPH203则完全阻断转运。这证实BCH是可转运的竞争性抑制剂，而JPH203是真正的阻断剂。

在"转运机制中的结构重排"部分，研究捕捉到LAT1从向外开放到向内开放的完整构象变化。特别发现N端50个残基的缺失使转运活性完全丧失，提示该区域在构象变化中的关键作用。此外，胆固醇在TM9-TM12裂隙中的构象特异性结合，解释了为何胆固醇能增强LAT1活性。

这项研究的重要意义在于：1)首次揭示了抗癌药物JPH203与LAT1的精确结合模式，阐明了其高选择性和强效抑制的结构基础；2)发现了BCH诱导闭塞构象的独特机制，解释了这种经典抑制剂能够作为反向转运底物的原因；3)阐明了不同大小底物(如马法兰)转运速率差异的结构决定因素；4)为设计新一代可转运药物或强效抑制剂提供了清晰的结构模板。这些发现不仅推动了癌症靶向治疗的发展，也为理解膜转运蛋白的工作机制提供了重要范例。

研究还提出了许多值得深入探索的方向：如meta位取代基如何影响抑制剂选择性、胆固醇调节活性的精确机制、以及如何利用这些结构信息设计更有效的抗癌药物等。该团队建立的纳米脂质盘系统为后续研究提供了有力工具，有望促进对LAT1及其他膜转运蛋白的更深入认识。