MCT11（SLC16A11）转运蛋白的配体结合特性表明其能与长链脂肪酸发生高亲和力的相互作用

《Archives of Biochemistry and Biophysics》：Ligand Binding Characterization of MCT11(SLC16A11) Transporter Reveals High-Affinity Interactions with Long-Chain Fatty Acids

　　

• •
  MCT11 包含一个由七个关键残基定义的保守结合位点。
• •
  DHA 和棕榈酸显示出与 MCT11 最强的预测结合能力。
• •
  在膜模拟中，长链脂肪酸与 MCT11 形成稳定的相互作用。
• •
  丙酮酸仅在毫摩尔浓度范围内才能稳定 MCT11。
• •
  DHA 和棕榈酸在皮摩尔浓度范围内也能稳定 MCT11。

引言

单羧酸转运蛋白（MCTs）属于 SLC16 家族，负责真核生物中乳酸、丙酮酸、酮体及甲状腺激素等代谢物的跨膜转运（1）。在人类中，该家族包含 14 个成员，其中只有 MCT1、MCT2 和 MCT10 经过功能性和结构性的研究（2, 3, 4）。MCTs 主要分为两类：前四个成员（MCT1-4）属于第一类，它们通过质子耦合机制转运分子，并通过诸如 embigin 和 basigin 等伴侣蛋白定位于血浆膜上（5）。第一类转运蛋白参与了糖酵解、糖异生以及细胞间的代谢通讯等基本过程（6, 7, 8）。这些转运蛋白的失调与多种疾病相关，包括癌症、2 型糖尿病和神经退行性疾病（9, 10）。相比之下，第二类转运蛋白包括 MCT8 和 MCT10，它们具有特定的底物选择性，并通过促进扩散的方式转运芳香族氨基酸，在发育和代谢中起关键作用（4, 5）。与第二类成员不同，第一类转运蛋白的亚细胞定位不依赖于伴侣蛋白，并且与 Allan-Herndon-Dudley 综合征等病症有关（11）。

全基因组关联研究（GWAS）发现 SLC16A11 基因（MCT11 转运蛋白）的变异是墨西哥及其他拉丁美洲人群 2 型糖尿病的风险因素（12）。这一发现表明 MCT11 可能具有重要的代谢功能，尽管其分子功能、底物选择性和转运机制仍不清楚（13）。

对 SLC16A 家族成员中两个关键跨膜转运位点的序列同源性分析将 MCT11 转运蛋白归类为第一类（13）。这一分类意味着 MCT11 可能与同类的转运蛋白具有相似的功能特征，但其生理作用尚未得到充分探索。从结构上看，MCT11 具有 SLC16 家族的典型拓扑结构，包含 12 个跨膜段（12, 13），但其三维结构尚未通过实验确定，其底物结合位点也尚未明确识别（13）。

此外，研究显示 MCT11 在多种细胞模型中的表达调节与其参与脂质代谢有关（12, 13, 14）。Zhao 等人（2019）观察到 MCT11 的过表达会导致细胞内脂质谱发生显著变化，表现为三酰甘油和二酰甘油的增加，以及磷脂酰胆碱、胆固醇酯和鞘磷脂的减少（14）。尽管一些报告指出 MCT11 对乳酸和丙酮酸等小分子具有亲和力（5, 13, 15），但其转运效率较低，因此这些代谢物可能并非其主要底物。因此，本研究采用计算和实验相结合的方法来确定 MCT11 转运蛋白的生理结合伙伴。通过同源性建模、分子对接和分子动力学模拟等 体外 方法，我们提出脂肪酸（尤其是二十二碳六烯酸（DHA）可能是 MCT11 的结合伙伴；热位移实验在 pM 浓度范围内稳定了这种相互作用，从而提供了直接的实验验证（14）。

章节摘要

体外特征分析

使用 AlphaFold 3 服务器（https://alphafold.com）通过提交全长蛋白质序列生成了 MCT11 的三维模型（UniProt ID: Q8NCK7）。由于 N 末端和 C 末端的置信度较低，这些区域被截断，最终得到的模型覆盖了从 W37 到 A429 的残基。该模型由 12 个跨膜螺旋组成，这些螺旋通过胞内和胞外环连接，符合 Major Facilitator Superfamily 的典型结构（12）。

生物信息学分析及结合位点预测

从 AlphaFold 3 获得的三维模型（图 1 A）被用来验证其拓扑结构和理化性质。结果证实 MCT11 具有 SLC16 家族的典型特征，由 12 个跨膜螺旋域组成，这些螺旋域中的疏水残基主要集中在面向脂质的一侧（图 1 B, C），这一特性有助于转运蛋白稳定地插入脂质双层（12）。

讨论

对 21 个同源物的比较结构分析识别出一组 15 个潜在的底物结合位点候选残基（13）。这些残基在比对模型中的出现频率及其系统发育保守性表明它们之间存在明显相关性（27, 28, 29, 30, 31）。Arg57、Tyr53、Phe147、Phe259、Arg294 和 Ala353 在多个样本中的出现频率超过 30%（13）。

结论

本研究结合计算和实验方法，研究了 MCT11 的配体结合偏好。我们的结构分析和分子对接发现了一个由七个残基（Y53、R57、F147、N173、F259、R294 和 A353）组成的保守结合位点。分子对接和动力学模拟表明，长链脂肪酸（尤其是二十二碳六烯酸（DHA）和棕榈酸）可能是 MCT11 的有效底物（14）。

资助信息

本研究得到了 2019 年“Rubén Lisker 生物医学研究奖”以及 SEP-CINVESTAV（2018:1）的资助（1）。

CRediT 作者贡献声明

Daniela Roa-Velazquez：验证、方法学、研究、数据分析。 Nicole Justine Moreno-Licona：撰写初稿、可视化、验证、方法学、研究、数据分析。 Viridiana Olin-Sandoval：撰写、编辑、监督、资源管理、资金申请、概念化。 Edgar Morales-Ríos：撰写、编辑、监督、资源管理、资金申请、概念化。 José Manuel

16..

利益冲突声明

本研究不存在需要声明的利益冲突。

致谢

我们感谢墨西哥东南部国家超级计算实验室（LNS）和 Cinvestav CGSTIC 的 Xiuhcoatl 混合超级计算集群提供的计算资源。同时，我们也感谢 LANSE 的基因组学、蛋白质组学和代谢组学部门（UGPM）以及 Emmanuel Ríos Castro 博士在测序方面的支持，以及 Biotek 公司提供的 Epoch 分光光度计。此外，还要感谢 Carlos Gómez Lojero 博士和 Jorge Zarco Mendoza 实验技术员在设备使用上的协助。

Nicole Justine Moreno-Licona | Daniela Roa-Velazquez | Francisco Trujillo-González | Samuel álvarez-Almazán | Jessica Georgina Filisola-Villase?or | Zuleima Natali Domínguez-Velázquez | José Manuel Perez-Aguilar | Edgar Morales-Ríos | Viridiana Olin-Sandoval