科研进展-Nature Communications | 闫创业团队揭示甲状腺激素转运蛋白MCT8的结构之谜

甲状腺激素 （Thyroid hormones，THs） 是由甲状腺分泌的 碘化 氨基酸类激素，主要包括 T4 （3,5,3′,5′-tetraiodo-L-thyronine，四碘甲状腺原氨酸） 和 T3 （3,5,3′-triiodo-L-thyronine，三碘甲状腺原氨酸） 。它们是人体内至关重要的信号分子，不仅调控着从胚胎发育到成年的几乎所有组织的生长分化，还持续调节着机体的基础代谢率。其代谢异常经常导致多种疾病，如甲状腺功能亢进 （甲亢） 与减退 （甲减） 。

在众多介导THs跨膜转运的膜蛋白中，单羧酸转运蛋白 MCT8 （monocarboxylate transporter 8） 因其对TH分子独特的选择性识别能力和高效的转运效率而成为研究热点。值得注意的是，MCT8是目前在人类中发现的唯一与THs遗传性疾病直接相关的转运蛋白，其功能缺陷会影响THs通过血脑屏障进入中枢神经系统，进而导致 Allan-Herndon-Dudley综合征 （AHDS） ——一种以严重智力障碍和运动功能障碍为主要临床表现的X连锁遗传病。尽管全球科学家对MCT8已开展多年深入研究，但其致病的分子机制和潜在治疗策略仍有许多未解之谜。

图1  MCT8是血脑屏障中负责运输THs的主要转运体（Richa Kapoor, et al. 2015）

在THs代谢过程中，甲状腺滤泡细胞主要分泌T4，而具有更高生物活性的T3则通过外周组织中T4的脱碘转化产生，同时伴随着无活性代谢物rT3 （reverse T3, 3,3′,5′-triiodo-L-thyronine） 和T2 （3,3′-diiodo-L-thyronine） 的生成。此前研究发现， MCT8对不同TH分子表现出明显的结合偏好性：T3>T4»rT3≈T2 ，这种选择性与其生理功能高度匹配。同时，已有研究表明MCT8可能以 同源二聚体 形式发挥功能，但其精确的二聚化调控机制仍有待揭示。此外，目前仅有少数化合物被证实能够调节MCT8活性，其中 水飞蓟素（silychristin） 作为具有抗氧化和抗炎特性的天然产物，虽在肝病治疗中表现出色，但其对甲状腺激素系统的潜在干扰效应也引起了研究者的高度关注。因此，获得MCT8与底物或抑制剂的高分辨率三维结构，对于阐明其转运机制和底物特异性具有重要意义，对开发针对MCT8相关疾病的新型治疗策略也具有重要意义。

清华大学闫创业课题组长期专注于重要疾病相关的溶质转运体 （Solute carrier，SLC） 超家族蛋白的结构与功能研究，在冷冻电镜方法学和应用研究方面取得系列突破。该团队已成功解析了包括单羧酸转运蛋白MCT1 （ Cell , 2021） 、葡萄糖转运蛋白GLUT4 （ Nat Commun , 2022） 、γ-氨基丁酸转运蛋白GAT1 （ NSMB , 2023） 和去甲肾上腺素转运蛋白NET （ Nature , 2024） 在内的多个重要SLC成员的高分辨率结构，为理解这类膜转运蛋白的工作机制与药物作用机制奠定了坚实基础。

图 2  底物与抑制剂结合的MCT8同源二聚体结构

研究团队采用冷冻电镜技术成功解析了人源MCT8蛋白的两种高分辨率结构，分别捕获了其与底物T3及高亲和力抑制剂水飞蓟素结合的状态。两种结构中，MCT8均以向外开放构象的同源二聚体形式存在（图2）。其中，MCT8 对 TH 的识别和转运长期以来一直受到关注，其 结构解析揭示了MCT8对不同THs的选择性差异背后的分子机制 。MCT8具有三个特异的疏水碘结合口袋， T3的3-、5-和3'-碘原子分别嵌入其中，而T4的5'-碘原子将处于一个额外的半疏水性口袋，导致其结合亲和力低于T3。对于代谢产物T2和rT3，其3-或5-碘原子的缺失导致关键疏水作用减少，且rT3的5'-碘原子与T4类似，被置于半疏水性口袋（图3）。这些结构差异合理解释了MCT8对T3/T4的优先转运特性。研究还进一步揭示了作为肝病治疗药物水飞蓟素对MCT8抑制的分子机制，为优化水飞蓟素使其避免干扰甲状腺激素稳态提供了结构基础。此外，AHDS 缺陷表型的严重程度与每个突变体的残余 T3 运输能力相关。通过将临床疾病遗传突变映射至结构模型并结合AlphaFold预测，研究揭示了不同突变导致T3转运能力丧失的潜在分子机制。

图 3  甲状腺激素T3、T4、rT3及T2的潜在结合模式分析

研究还进一步揭示了MCT8二聚化的分子机制，其界面主要由跨膜螺旋TM3和TM6构成。值得注意的是，在二聚化界面处还存在一个脂质分子介导其相互作用（图1a）。通过定点突变 （Phe182、His186或Phe271突变为Ala） 及生化实验验证，团队证实这些残基对二聚体形成具有关键作用。尽管体外转运实验表明二聚化破坏未显著影响T3摄取，但研究者猜测 二聚化可能通过稳定跨膜区亲水残基，促进MCT8在细胞膜上的定位与功能 。

图 4  脂质可能作为分子胶促进MCT8二聚体的形成及稳定

本研究 为靶向甲状腺轴转运蛋白MCT8的新型抑制剂开发提供了结构基础，有助于促进发展治疗甲状腺激素代谢异常疾病的新型药物 。同时，在二聚体界面发现的脂质“锚定”现象也为设计 模拟脂质分子的“分子胶”以促进MCT8二聚体形成，增强其在血脑屏障细胞中的定位与功能 ， 为治疗AHDS提供了新思路（图4）。

清华大学生命科学学院/北京生物结构前沿研究中心副教授 闫创业 为本文唯一通讯作者；清华大学生命学院水木学者 谭佳鑫 ，2021级博士生 肖媛 和 孔方 为本文的共同第一作者。实验室成员 钱嘉威 和 朱盎岐 博士对本研究提供了重要帮助。实验的电镜数据采集受到清华大学冷冻电镜平台的支持，实验的计算工作得到清华大学高性能计算平台、国家蛋白质设施实验技术中心（北京）的支持。本研究获得了 北京生物结构前沿研究中心 、清华-北大生命科学联合中心、国家自然科学基金面上项目及生物膜国家重点实验室的经费支持。