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EMBO Reports丨屈前辉课题组报道锌离子转运蛋白ZnT1介导H+/Zn2+交换的分子机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-10-15 08:53

正文

人体每天需摄入约15毫克锌来满足正常生理功能需求。作为多种转录因子和催化酶的辅因子，锌离子直接参与合成核酸和蛋白质、细胞的分化与增殖、代谢等过程。全球人口不同程度缺锌的发生率约20%，成为了人们健康生活的一大隐患。缺锌会影响儿童生长和智力发育、成年人生育功能障碍、老年人记忆减退甚至痴呆等。此外，缺锌还会导致慢性肝病、癌症、糖尿病、心血管疾病等，严重者甚至引发致命的肠病性肢端皮炎。长期摄入过量的Zn²⁺则会导致恶心呕吐、腹痛腹泻、贫血等慢性中毒症状。机体内Zn²⁺外排与摄入的稳态平衡主要依赖于ZnT/SLC30和ZIP/SLC39两大特异性溶质转运膜蛋白家族。ZnT1/SLC30A1是哺乳动物细胞中第一个被鉴定且定位于细胞质膜表面的Zn²⁺外排转运膜蛋白。敲除ZnT1基因会导致小鼠胚胎死亡。ZnT1也会过量表达在肝癌、乳腺癌、胰腺癌等以及老年痴呆症患者组织中。ZnT3/SLC30A3则主要分布在大脑海马区，与转运兴奋性神经递质谷氨酸蛋白VGLUT共存于突触囊泡上。ZnT3基因敲除的成年小鼠在某些学习和记忆行为领域表现出认知缺陷。尽管有关ZnT家族蛋白的结构和功能研究陆续获得报道，然而调控锌离子转运的具体机制仍待阐明。

2024年10月10日，复旦大学生物医学研究院屈前辉课题组在EMBO Reports上在线发表题为Structural insights into human zinc transporter ZnT1 mediated Zn²⁺ efflux的文章，揭示了ZnT1依赖H⁺浓度梯度转运Zn²⁺的分子机制。

ZnT转运蛋白家族主要依赖膜内外质子浓度驱动力。研究者解析了不同纯化条件下ZnT1蛋白的多个高分辨率冷冻电镜结构。在pH7.5环境下，不论加或不加1mM Zn²⁺，ZnT1二聚体都主要处于外向开口状态（outward-facing）。当在pH6.0溶液中添加1mM Zn²⁺时，ZnT1二聚体则呈现多种构象状态：外向/外向、外向/内向、内向/内向（inward-facing），其中每个亚基跨膜域均结合了Zn²⁺。采用分子动力学模拟，对跨膜域中识别Zn²⁺的四个重要氨基酸（H43/D47/H251/D255）进行不同组合方式的质子化，结果显示质子化D47/D255显著影响Zn²⁺的稳定结合，而H43或H251质子化的影响相对较小。此外，伴随着ZnT1由内向开口（inward-facing）到外向开口（outward-facing）转变，其跨膜螺旋TM2胞外侧a螺旋切换为拉长的3₁₀螺旋，促进Zn²⁺从结合位点释放（图1）。

之前研究显示ZnT1还能借助Ca²⁺浓度梯度来转运Zn²⁺。为探讨这一可能机制，研究者也制备了添加1mM Ca²⁺的ZnT1样品并解析了高分辨率结构。然而在该结构跨膜区中并未发现Ca²⁺的结合。Ca²⁺如何协助ZnT1外排Zn²⁺还有待进一步探究。此外，本工作展示了内向开口的ZnT3结构，发现去垢剂分子LMNG可直接嵌入ZnT3跨膜区并接近Zn²⁺结合位点；同时还发现在二聚体界面处存在稳定结合的磷脂分子。这些不同于ZnT1或其他同源蛋白的结构特征的生理意义有待进一步研究。值得一提的是，近期王晓东/郑三多团队（BioArt）还揭示了ZnT1介导Cu²⁺离子进入细胞引发铜死亡的分子机制，丰富了ZnT1功能多样性。未来解析ZnT1转运Ca²⁺或Cu²⁺的结构，也将进一步阐明ZnT1选择性识别Zn²⁺、Ca²⁺或Cu²⁺的分子基础。