细胞生物学 读书心得

读《Nature：颜宁等揭示人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的结构及工作机理》心得

广二师生物系hexuecheng

摘要：清华大学医学院颜宁教授研究组在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示了其工作机制及相关疾病的致病机理。此研究成果可帮助人类理解分子转运最基本过程，人类有望有望阻断癌细胞营养，“饿死癌细胞”。

关键词：葡萄糖转运蛋白颜宁癌细胞

5月18日，清华大学医学院教授颜宁研究组在Nature在线发表了题为Crystal structure of the human glucose transporter GLUT1的研究论文，在世界上首次报道了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，初步揭示其工作机制以及相关疾病的致病机理。

该研究成果意义重大，该研究成果被国际学术界誉为“具有里程碑意义”的重大科学成就。首先，从科研的角度说，第一个揭示了人源转运蛋白的结构，可以帮助人类理解分子转运这一生命科学中最基本的过程。从临床的角度说，有助于了解幼儿癫痫、癌症、糖尿病的发病机制以研发相应的药物。不仅如此，该研究成果使人类相对完整地理解人体内葡萄糖运转机理的整个过程仅差一步。

那么这个葡萄糖转运蛋白GLUT1究竟是什么东西呢？功能是怎样的呢？

人们都很清楚，葡萄糖（D-glucose）是地球上包括从细菌到人类各种生物已知最重要、最基本的能量来源。葡萄糖代谢的第一步就是进入细胞：亲水的葡萄糖不能自由穿透疏水的细胞膜，其进出细胞需要通过镶嵌于细胞膜上的葡萄糖转运蛋白完成。其中一类属于主要协同转运蛋白超家族（Major Facilitator Super family ，简称MFS）的转运蛋白是大脑、神经系统、肌肉、红细胞等组织器官中最重要的葡萄糖转运蛋白（glucose transporters，简称GLUTs）。在人体的14个GLUTs中，GLUT1、2、3、4这四种蛋白生理功能最重要，研究最广泛，其中GLUT1因发现最早而得名。

GLUT1几乎存在于人体每一个细胞中，是红细胞和血脑屏障等上皮细胞的主要葡萄糖转运蛋白，对于维持血糖浓度的稳定和大脑供能起关键作用。在已知的人类遗传疾病中，导致GLUT1功能异常的突变会影响葡萄糖的正常吸收，导致大脑萎缩、智力低下、发育迟缓、癫痫等一系列疾病。另一方面，转运蛋白GLUT1在癌细胞的新陈代谢过程中也发挥着重要功能。

葡萄糖转运蛋白GLUT1功能如此重要，那么该项研究成果有什么意义呢？

首先，该研究成果使人类在攻克癌症、糖尿病等疾病的探索道路上，迈出重要一步。人

类有望“饿死癌细胞”！

拒该研究团队带头人颜宁介绍：“癌细胞要生存，需要依赖葡萄糖作为其‘口粮’，而肿瘤细胞由于缺乏氧气供应而只能对葡萄糖进行无氧代谢，同质量葡萄糖所提供的能量不到正常细胞的15%，所以癌细胞就需要比正常细胞摄入更多的葡萄糖，也就需要通过负载更多的葡萄糖转运蛋白GLUT1完成葡萄糖从细胞外转运到细胞内的过程”。因此，如能研究清楚转运蛋白GLUT1的组成、结构和工作机理，就有可能通过调控它实现葡萄糖转运的人工干预，既可以增加正常细胞内葡萄糖供应达到治疗相关疾病的目的，又可能通过特异阻断对癌细胞的葡萄糖供应，达到抑制癌细胞生长的目标。另一方面，了解GLUT1的秘密还有助于糖尿病治疗。糖尿病与GLUT1的“兄弟”GLUT4密切相关，两种转运蛋白长相相似。如果人体内的葡萄糖无法被GLUT4转运至细胞内，就只能在血管中累积。糖尿病患者使用的胰岛素，就是为了让GLUT4聚集于细胞膜上，转运葡萄糖。研究人员预测，GLUT4很可能成为治疗糖尿病的靶点。

其次，确立中国结构生物学领先地位！

人类对葡萄糖跨膜转运的研究已有约100年的历史。1977年第一次从红细胞里分离出了转运葡萄糖的蛋白质GLUT1，在1985年鉴定出GLUT1的基因序列。此后，获取GLUT1的三维结构从而真正认识其转运机理就成为该领域最前沿也最困难的研究热点。过去几十年间，美国、日本、德国、英国等国的诸多世界顶尖实验室都曾经或正在为此全力攻关，但始终未能成功。

2009年起，清华教授颜宁带领的团队开始攻关，今年1月解开这道“世界难题”。研究人员发现，只有当分子有序排列时才能形成晶体，以获得三维结构，但GLUT1过于“活泼”。经过长期摸索，研究人员引入一种氨基酸突变，减缓GLUT1的工作速度；同时在4℃的低温下，降低分子运动速度，终于结晶成功。解析GLUT1结构难度如此之大，而我们中国人办到了，我感到自豪！

该成果在国际顶尖学术期刊《自然》杂志发表之后，引来学界著名专家的高度评价。

2012年诺贝尔化学奖得主布莱恩·克比尔卡评价，“哺乳动物的膜蛋白结构研究难度远远大于对细菌同源蛋白的研究，因此至今已经获得的哺乳动物膜蛋白的结构寥寥无几。但是要针对人类疾病开发药物，获得人源转运蛋白结构至关重要。对于GLUT1的结构解析本身是极富挑战、极具风险的工作，因此这是一项伟大的成就。”

美国科学院院士、加州大学洛杉矶分校教授、转运蛋白研究专家罗纳德·卡百克评价，

“学术界对于GLUT1的结构研究已有半个世纪之久，而颜宁在世界上第一个获得了GLUT1的晶体结构，从某种程度上说，她战胜了过去50年从事其结构研究的所有科学家。这也是至今获得的第一个人源转运蛋白的结构，并代表了一项重要的技术突破。该成果对于研究癌症和糖尿病的意义不言而喻！”

美国科学院院士、麻省理工学院教授，GLUT1基因的克隆者哈维·劳迪什评价，“这是一项极为重要的成果，终于清晰揭示了自克隆基因起猜测30年之久的GLUT1的12次跨膜结构以及转运机理。”

面对学界给予的评价，团队带头人颜宁冷静地表示：“很多疾病都有着复杂的成因，尤其癌症是最复杂的疾病，而我们的科研是非常基础的。从基础科研到转化中间有相当漫长的路。”她的理智与谦虚确实值得我好好学习。

同时，颜宁的研究并未止步。由于葡萄糖转运蛋白GLUT1在人体内是处于活动状态的，在发现了其构造之后，进一步破解其运转机理就成为下一步研究的方向。她们团队计划捕获多张不同状态下的结晶图，组成“分子电影”，分析其工作机制。据颜宁介绍，目前已经发现了葡萄糖转运蛋白GLUT1晶体结构运转过程中的一个构象，结合该团队早在2012年发现的细菌葡萄糖转运蛋白的两个构象，只要再发现一个构象，就可以相对完整地理解人体内葡萄糖运转机理的整个过程。科学是没有终点的，颜宁她们对于自己取得的巨大成就并没有满足于此，止步不前。而是再接再厉，争取取得更大成果。我们在学习中也应有积极进取的精神。

颜宁的团队取得如此大的成就，人们可能会想，她们应该是一帮实力雄厚，资历很深的老教授吧。其实不然，颜宁是白手起家，她们团队平均年龄只有30岁！

这位年仅37岁的年轻学者2007年从普林斯顿大学毕业回国并受邀在清华任教，成为清华大学当时最年轻的教授和博士生导师。从装修实验台、订购仪器试剂、手把手教学生做实验开始“白手起家”。她也曾在受访中谈及国内大学的缺陷，认为国外的行政是服务于学术的，教授发言权很大；但在国内，行政对学术的控制很多。但回首自己当初的决定，颜宁毫不犹豫的说：“现在回头看，回国是完全正确的选择。”她在美留学时的导师施一公谈到学生说，“颜宁对国家非常有信心，心底无私天地宽。”她的爱国精神同样值得我们每一位大学生学习。

颜宁科研团队从2009年开始GLUT1的研究。在5年的攻关过程中，在结构生物学的最前沿领域确立了中国的领先优势。这样的研究成果离不开清华学子的聪敏勤奋。此次发表论文的第一作者邓东博士为80后，他从清华大学博士毕业后刚刚开始博士后的研究。三位共