L型氨基酸转运体LAT1-4F2hc复合物的底物识别与转运机制的结构解析

本研究针对L型氨基酸转运体LAT1（SLC7A5）与辅助蛋白4F2hc（SLC3A2）复合物的底物选择性机制这一关键科学问题，通过冷冻电镜技术解析了该复合物与酪氨酸（Tyr）、色氨酸（Trp）、亮氨酸（Leu）及左旋多巴（L-DOPA）结合的四种高分辨率结构（3.10-3.58 ?），首次揭示了不同底物的结合模式差异及关键残基（Phe252/Tyr259/Phe400）在底物识别与转运中的动态调控作用，为癌症靶向药物设计提供了重要结构基础。

　　

在生命活动中，氨基酸转运体如同细胞膜上的"智能闸门"，精确调控着营养物质、激素和药物的跨膜运输。其中L型氨基酸转运体1（LAT1，SLC7A5）与4F2hc（CD98hc，SLC3A2）组成的异源二聚体复合物，不仅能转运亮氨酸（Leu）、酪氨酸（Tyr）等大分子中性氨基酸，还负责甲状腺激素T3/T2和帕金森病治疗药物左旋多巴（L-DOPA）的运输。这个转运系统在癌症发生发展中扮演着"帮凶"角色——肿瘤细胞通过过度表达LAT1疯狂摄取氨基酸，为自身增殖提供原料，这使得LAT1成为抗癌药物研发的"明星靶点"。然而长期以来，科学家们对这个转运复合物的"工作密码"知之甚少：为什么它能识别结构各异的底物？不同底物如何触发转运构象变化？这些谜题的解答对开发精准靶向药物至关重要。

南方科技大学生物医学系、稳态医学研究所的研究团队在《Journal of Biological Chemistry》发表的研究，运用冷冻电镜（cryo-EM）这一"分子显微镜"，成功捕捉到LAT1-4F2hc复合物与四种不同底物结合的瞬时状态。研究人员首先通过HEK293F细胞共表达系统获得复合物蛋白，采用抗FLAG亲和层析与分子筛色谱进行纯化，随后将蛋白分别与Tyr、Trp、Leu和L-DOPA孵育后制备冷冻样品。利用Titan Krios 300kV电镜采集数据，通过cryoSPARC和Relion软件进行三维重构，最终获得分辨率达3.10-3.58 ?的四种复合物结构。为验证结构发现，团队还进行了基于质谱的底物转运实验和微量热泳动（MST）结合力测定。

【结构解析】研究首次呈现了LAT1-4F2hc与四种底物的精细结合模式：所有底物均位于TM1/TM6解旋区域形成的口袋中，但呈现不同构象状态。其中Leu结合状态呈现完全闭合构象，Phe252像"闸门"完全覆盖底物；而Tyr、Trp和L-DOPA结合状态则显示部分开放的"外向闭塞"构象。特别发现Tyr259通过氢键网络与不同底物特异性结合，如与Tyr的酚羟基形成2.6 ?氢键，而与L-DOPA的相互作用距离达4.2 ?。

【动态比较】通过对比甲状腺激素类似物Diiodo-_L-Tyrosine（Tyi）结合结构，发现Phe400存在显著构象变化——在Tyr与Tyi结合状态间旋转达110°。这种动态变化提示TM10的构象重排可能影响底物释放效率。尤为重要的是，研究发现不同底物诱导TM1b/TM6a发生6°-10°的摆动，带动相邻TM2/TM7向外旋转，形成"多米诺骨牌"式的构象传递。

【亚型差异】与同家族LAT2的比较揭示有趣现象：虽然两者序列相似度高，但LAT1结合Trp时呈现"外向闭塞"构象，而LAT2却保持"内向开放"状态。关键差异来自四个口袋残基（Thr62/Tyr259/Ser144/Phe400）的协同作用，其中Tyr259A和F400A突变使Trp结合力降低2倍以上，验证了这些位点在底物选择中的决定性作用。

【机制模型】整合前期研究，团队提出完整的转运循环模型：从内向开放状态开始，TM1/TM6运动促使Glu266与Arg348距离从7?缩短至3?，形成"分子锁"；随后Phe252逐步外移，经历多个中间态后完全开放释放底物。这一过程中，Phe252作为"主门控"，Tyr259是"识别传感器"，而Phe400则像"变构调节器"，三者协同实现底物选择性转运。

这项研究犹如绘制了一份精确的"分子导航图"，不仅阐明了LAT1-4F2hc识别多样化底物的结构基础，更揭示了转运过程中的动态构象变化规律。特别发现的关键残基如Tyr259和Phe400，为设计靶向癌症的抑制剂提供了全新位点——通过模拟大体积底物（如Trp）与这些残基的相互作用，有望开发出高选择性药物。此外，对L-DOPA转运机制的解析，为改善帕金森病药物的血脑屏障穿透效率提供了理论依据。这些突破性发现将推动氨基酸转运体研究从结构生物学向精准药物设计的跨越发展。