通过SLC12载体在原子尺度上实现的氯离子依赖性阳离子转运

《Annual Review of Physiology》：Chloride-Dependent Cation Transport via SLC12 Carriers at Atomic Resolution

SLC12家族基因编码的Na-K-2Cl和K-Cl cotransporters在细胞稳态中起关键作用，其原子级结构解析揭示了功能双聚体、离子结合位点及与利尿剂的作用机制。研究显示这些转运蛋白具有12跨膜域结构，Na/K-2Cl cotransporters与K-Cl cotransporters在离子结合模式上存在差异，孤儿蛋白SLC12A8/A9可能通过形成异源二聚体影响功能。

　　SLC12基因家族编码了一类电中性氯离子依赖性阳离子转运蛋白，包括钠-氯（Na-Cl）、钾-氯（K-Cl）以及钠-钾-2氯（Na-K-2Cl）共转运蛋白。这些蛋白在维持细胞和机体的稳态中扮演着重要角色。近年来，通过原子级别的结构解析，我们对这些转运蛋白在健康与疾病状态下的运作机制以及它们如何成为治疗干预的目标有了新的理解。整体而言，SLC12转运蛋白的冷冻电镜（cryo-EM）结构确认了一些传统生化和分子方法已知的关键特征，如12个跨膜结构域（TMDs）的存在以及形成功能性二聚体的能力。此外，这些结构还揭示了一些此前未知的特征，例如战略性的盐桥，这些盐桥有助于解释转运蛋白如何保持在特定构象中。冷冻电镜结构还显示了这些转运蛋白与其它转运蛋白结构的相似之处，特别是在阳离子的位置上。然而，这些结构也提出了关于结合离子数量以及严格电中性的挑战性问题，这与传统的理解存在一定的冲突。

随着对SLC12转运蛋白结构研究的深入，我们开始理解这些蛋白在进化过程中如何形成并分化。SLC12家族中的运输蛋白不仅在人类中存在，而且在从原核生物到真核生物的多种生物中都有发现。这一家族的起源可以追溯到细菌，其中钠-钾-2氯共转运蛋白（NKCC）在细菌中首次出现，并且这些蛋白的结构显示出与氨基酸渗透酶的共同祖先。随着进化的发展，这些转运蛋白在不同生物中经历了多次基因重复和突变，形成了我们今天所知的多种类型，包括NKCC1、NKCC2、NCC、KCC1、KCC2、KCC3和KCC4等。其中，NCC和NKCC1/2是钠依赖型的，而KCC1-4则是钠非依赖型的，主要负责钾和氯的共转运。此外，还有两个孤儿基因SLC12A8和SLC12A9，它们编码的蛋白质功能尚不明确。

这些结构不仅揭示了转运蛋白的内部结构，还展示了它们如何在不同条件下与离子结合。例如，NKCC1和NKCC2的结构显示了钠和钾的结合位点，以及氯的结合位点。氯在NKCC1和NKCC2中以两种不同的方式结合，一种是与钾形成离子键，另一种则是独立于阳离子的结合。这些结构还揭示了不同离子在转运过程中的相互作用，以及它们如何影响转运蛋白的构象变化。例如，某些转运蛋白在特定离子结合后会发生构象变化，这可能与它们的运输功能有关。

在临床和药物研究方面，这些结构对于理解药物如何影响转运蛋白具有重要意义。例如，loop利尿剂（如呋塞米）主要作用于NKCC2，而thiazide利尿剂（如氢氯噻嗪）则作用于NCC。这些药物的结合位点和作用机制可以通过结构解析得到更深入的理解。此外，某些药物如DIOA和VU0463271等也对KCCs产生了抑制作用，但它们的结合位点和作用方式与loop利尿剂不同。因此，了解这些药物如何与转运蛋白相互作用，有助于开发更有效的治疗策略。

在研究这些转运蛋白的结构时，科学家们还发现了一些有趣的生物学现象。例如，KCC3在鱼类、两栖类、爬行类和哺乳动物中存在，但在鸟类中却缺失。这种现象可能与鸟类的生理需求和进化适应有关。此外，某些转运蛋白的结构显示出独特的构象变化，这可能与它们的运输机制和功能调控有关。例如，hKCC1在结合VU0463271后，其结构发生了显著变化，这可能影响其运输功能。这些结构变化可能与转运蛋白的活性调控有关，例如通过磷酸化或与其他蛋白的相互作用。

总的来说，SLC12转运蛋白的结构研究为我们理解它们在生理和病理过程中的作用提供了新的视角。这些结构不仅揭示了转运蛋白的内部机制，还帮助我们理解它们如何与离子和药物相互作用。然而，尽管这些研究取得了重要进展，仍有许多问题尚未解决，例如离子结合的具体顺序、转运蛋白在不同构象下的精确运动以及如何通过更高分辨率的结构或新的研究方法进一步探索这些蛋白的功能机制。未来的研究需要结合多种技术手段，包括高分辨率的冷冻电镜、分子动力学模拟以及生化实验，以全面揭示SLC12转运蛋白的复杂行为和潜在应用价值。