胆固醇介导的牛磺酸转运蛋白二聚化机制及其底物识别结构基础解析

本研究针对牛磺酸转运蛋白(TauT)在生理功能和疾病关联中的关键作用，通过冷冻电镜技术解析了TauT在apo内向开放状态及与底物牛磺酸/GABA结合的occluded状态结构，首次发现胆固醇介导的TauT二聚化现象。研究揭示了TM5跨膜区与胆固醇分子协同稳定二聚体界面的分子机制，阐明了TauT特异性识别牛磺酸与GABA的结构基础，为治疗视网膜变性、心肌病等牛磺酸缺乏相关疾病提供了新靶点。

　　

牛磺酸作为人体最丰富的条件必需氨基酸，在视网膜保护、心脏功能维持和神经系统发育中发挥关键作用。然而，其跨膜转运的核心载体——牛磺酸转运蛋白(TauT/SLC6A6)的分子机制长期未明。TauT功能障碍与视网膜变性、心肌病等重大疾病密切相关，但关于其 oligomerization（寡聚化）状态、胆固醇调控机制以及如何区分结构相似的γ-氨基丁酸(GABA)等科学问题始终悬而未决。

为解决这些难题，上海科技大学等机构的研究团队通过冷冻电镜(cryo-EM)技术，首次解析了人类TauT在三种状态下的高分辨率结构：apo内向开放状态、牛磺酸结合occluded状态以及GABA结合状态。研究发现TauT在纳米盘中可形成胆固醇介导的二聚体，两个胆固醇分子像"分子胶水"般桥接两个protomer（原体）的TM5和TM7结构域。通过[³H]-牛磺酸摄取实验结合点突变验证，证实Val262-Leu265疏水相互作用对二聚体形成至关重要。研究还发现TauT对牛磺酸的亲和力(K_m=50μM)显著高于GABA(IC₅₀=10mM)，结构比对揭示Phe58和Glu406是决定底物选择性的关键残基。该成果发表于《Nature Communications》，为开发靶向TauT的神经退行性疾病治疗策略提供了原子精度蓝图。

关键技术方法包括：1) 在HEK293S GnTI细胞中表达全长TauT并进行放射性标记摄取实验；2) 采用lauryl maltose neopentyl glycol(LMNG)去垢剂纯化和纳米盘重组技术；3) 300kV冷冻电镜数据采集（分辨率3.20-3.98?）；4) 脑组织脂质组学分析胆固醇结合特征；5) 构建系列点突变体进行功能验证。

Dimerization of TauT
冷冻电镜结构显示纳米盘环境中18%的TauT形成二聚体，胆固醇分子与Leu258/Phe338等残基产生疏水相互作用。突变实验证实Val262Arg等突变会完全丧失转运活性，而添加10%胆固醇并不增加二聚体比例，表明胆固醇是二聚化必要条件但非充分条件。

Overall structure of TauT
TauT呈现典型的LeuT折叠特征，12个跨膜螺旋中TM1和TM6存在断裂形成非螺旋区。与GAT1结构比对发现TM10存在π-螺旋（Ser464插入所致），这是GABA转运蛋白亚家族的特有结构特征。

The taurine-bound occluded state
牛磺酸的磺酸基通过Gly60/Gly62等残基形成氢键网络，其氨基与Tyr138芳香环产生阳离子-π作用。N端Arg41与TM8的Asp416形成盐桥，构成胞质侧门控机制。C端(571-620)虽不影响K_m值但显著降低蛋白热稳定性。

The GABA-bound occluded state
GABA羧基仅形成两个氢键（牛磺酸为四个），解释了其较低亲和力。将Phe58Ala/Glu406Thr突变后，GABA抑制效率提升6倍，证实这两个残基是决定TauT与GAT1底物选择性的分子开关。

Transport mechanism
比较apo与底物结合状态发现，TM1a发生50°构象变化，Gly57/Phe58的位移开启胞质通道。保守的Gly399作为构象变化枢轴，其突变(Gly399Val)与临床视网膜变性直接相关。

该研究首次揭示胆固醇在SLC6转运蛋白 oligomerization 中的普适性作用，提出的"分子胶水"机制为理解膜蛋白聚集提供了新范式。通过阐明TauT底物识别的精确分子尺度，不仅解释了其与GAT1的功能差异，更为设计靶向TauT的视网膜变性、心肌病治疗药物奠定了结构基础。特别值得注意的是，二聚体界面残基Val262/Leu265的病理突变与人类疾病直接相关，这为发展变构调节剂提供了全新靶点。研究还提示TauT在肿瘤微环境免疫调控中的潜在价值，为拓展其临床应用开辟了新视角。