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题目：Recognition of cyclic dinucleotides and folates by human SLC19A1
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年10月20日
通讯作者单位：北京理工大学
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05452-z
主要内容：
对一种长期研究的叶酸运输蛋白的结构性见解提供了可能导致全新的靶向抗癌治疗方法的证据，或促进解决肿瘤的免疫治疗方法的成功。
运输蛋白SLC19A1，更好地称为还原叶酸载体，居住在细胞膜上。它已经被研究了几十年，因为它是B9维生素（称为叶酸）的主要组织转运体，这些维生素是制造某些类型的核苷酸和制造氨基酸残基丝氨酸和蛋氨酸所需的反应。SLC19A1也恰好是药物甲氨蝶呤和培美曲塞的主要转运体--它们被称为抗胆碱酯类药物，因为它们阻断了叶酸的作用。这些药物被用于治疗癌症、类风湿性关节炎和银屑病。2019年，SLC19A1的一个新角色被确认，它是一种被称为环状二核苷酸（CDN）的信号分子的转运者，这些信号分子刺激了广泛的免疫系统细胞反应。
尽管广泛的生物化学和分子研究已经暗示了SLC19A1运输叶酸的结构和功能决定因素，但各种SLC19A1底物的结合以及它们通过运输器从细胞外进入细胞质的详细分子基础在很大程度上还没有被探索。作者的研究对此进行了一些说明。
这些研究使用低温电子显微镜（cryo-EM）来确定人类SLC19A1的分子结构，该蛋白没有结合伙伴（即所谓的apo形式），并与叶酸盐、抗胆碱盐或CDNs结合。在这两份报告中，SLC19A1的结构是12个跨膜段，呈 "内向 "方向，向细胞质开放--跨膜段围绕着一个带正电的底物结合口袋，该口袋由进化上保守的氨基酸残基排列。
在哺乳动物细胞中，CDNs作为突出的危险信号，被一种叫做STING的免疫系统感应蛋白所识别，该蛋白位于细胞中一种叫做内质网的细胞器中。STING的激活产生了一个信号级联，导致称为I型干扰素的蛋白质和称为细胞因子的各种信号分子的浓度上升。哺乳动物细胞（包括肿瘤细胞）产生CDN分子2',3'-cGAMP，作为对双链DNA异常存在的反应，这种CDN的产生是由cGAS酶催化的。其他CDNs，如3',3'-cGAMP，可以由细菌产生。
鉴于cGAS和STING信号在抗癌防御反应中的作用，人们对STING激活药物（STING激动剂）作为癌症治疗药物的兴趣大增；这些药物中包括那些模拟2',3'-cGAMP的药物。在动物研究中，药物诱导的STING激活促使免疫反应增强，由称为T细胞的免疫细胞激活介导；这抑制了肿瘤的生长。天然和合成的STING激动剂已经过临床测试，是安全的。然而，它们只显示出适度的治疗活性。因此，需要有更有效和更有选择性的CDNs，并改善其在肿瘤中的传递。这可以增强对当前免疫疗法的反应，包括STING激动剂。
为了使CDNs作为免疫调节剂发挥作用，它们必须穿过细胞膜来激活STING。这是一个挑战，因为CDNs是带负电的，这使它们不能通过扩散穿过膜。人们认识到CDNs是由SLC19A1运输的，这至少为它们如何进入细胞的难题提供了部分解决方案（其他运输工具可能也参与CDN的吸收）。然而，与该蛋白运输叶酸底物的能力相比，SLC19A1对CDNs的运输能力较差--鉴于CDNs和叶酸的化学结构不同，这并不奇怪。
作者的研究最初确定了SLC19A1与CDN的结构，包括2',3'-cGAMP、细菌CDN 3',3'-cyclic di-AMP和合成2',3'-bisphosphothioate-cyclic di-AMP。令人惊讶的是，考虑到人们可能期望单分子与其转运体结合的典型情况，作者表明，所有这些CDNs作为一对组织良好、紧密排列的CDNs（二聚体）与SLC19A1结合。这种结合是在一个共同的结合部位，并通过包括堆积、氢键和电荷相互作用的过程发生，尽管各自的CDNs的构象不同。锥形底物结合腔被发现从SLC19A1的细胞内表面延伸到转运体的细胞外侧。CDNs结合在转运体较宽的细胞内入口处，延伸到跨膜区的中间。
作为比较，作者展示了SLC19A1与5-甲基四氢叶酸（人体中发现的主要形式的叶酸）和培美曲塞结合的结构--这两种物质都作为单分子（单体）与SLC19A1结合，附着在结合袋的一个独特区域，该区域与CDNs的区域仅略有重叠。为了扩展他们的研究，作者进行了分子动力学模拟和功能测试，探索了不同版本的SLC19A1蛋白，这些蛋白具有影响某些氨基酸的目标突变。作者因此确定了SLC19A1对CDN和叶酸底物运输选择性的关键决定因素，并指出了SLC19A1识别底物的关键特征。
正如预期的那样，与叶酸结合相比，个别突变对CDN结合的影响并不完全相同。作者确定的抗叶酸结合的主要决定因素与Wright及其同事的观点基本一致。后者的研究小组先前描述了SLC19A1在apo形式下的低温电镜结构，并用一种被设计为与SLC19A1的一个特定氨基酸（赖氨酸-411）共价结合的甲氨蝶呤处理。
这两份报告都很特别，因为它们提供了丰富的结构、功能和计算数据，以及对SLC19A1的底物识别和转运的丰富见解。也就是说，建立底物运输的详细机制将需要对与底物结合的其他SLC19A1构象进行审视。事实上，鉴于培美曲塞和5-甲基四氢叶酸与CDNs不同的结合姿势，如果SLC19A1运输二聚体CDNs，其机制可能与用于叶酸底物的机制不同。
对于叶酸和抗叶酸底物，这两份报告为SLC19A1的活性丧失和疾病相关突变的后果提供了机制上的见解。这项工作还对在人类肿瘤中用甲氨蝶呤治疗后发现的与治疗失败有关的SLC19A1突变以及在实验室中培育的抗叶酸的肿瘤细胞系提供了机理上的解释。此外，这些研究提供了对以前被认为在结构和功能上很重要的氨基酸残基的深入了解。这一结论部分来自于探索不同物种中蛋白质相似性的SLC19A1研究（同源研究），部分来自于从该蛋白质的突变体版本中收集的证据。
这两份报告共同指出，SLC19A1在免疫系统功能和抗癌免疫学中都有关键作用--除了它在运输叶酸和抗胆碱酯类物质方面的既定作用之外。这些发现的潜在应用包括使用新的SLC19A1结构来设计下一代CDNs，使其具有更大的特异性和效力，并使用新的抗栓剂来治疗各种癌症和自身免疫性疾病。关于后者，SLC19A1是组织中两个主要的叶酸转运体之一；另一个是SLC46A1，它被称为质子偶联叶酸转运体。SLC46A1是饮食中叶酸的肠道吸收所必需的，并且在肿瘤微环境的酸性pH值下是人类肿瘤中叶酸的关键转运体。人们特别关注的是发现新的SLC46A1特异性抗栓剂，这些抗栓剂通过SLC19A1的运输受到限制，并且比甲氨蝶呤等抗栓剂具有更大的肿瘤选择性。当与SLC46A1的低温电镜结构结合时，SLC19A1的结构为设计新一代更有选择性的癌症治疗药物提供了基础，因为它们更倾向于通过SLC46A1而不是SLC19A1来转运。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05452-z
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