Nature | 钠/碘同向转运体转运的结构基础

以下文章来源于北京生物结构前沿研究中心 ，作者王彤彤

碘是人体内关键的微量元素，对甲状腺激素的合成至关重要。甲状腺激素在生命早期各系统的发育，尤其是中枢神经系统的发育中发挥重要的作用，其缺乏会导致多种疾病的发生1。

在整个甲状腺素生物合成的途径中，甲状腺滤泡细胞需要先通过钠/碘同向转运体 (sodium/iodide sympoter, NIS) 将I-转运到细胞内，I-逆电化学梯度的转运由Na+顺电化学梯度的转运驱动2。过去的研究发现，疾病相关的NIS突变会影响蛋白的折叠、上膜以及转运活性的发挥3。

图1. 甲状腺激素的合成 (

作者: Jeffrey Dach)

2022年12月14日，来自美国范德堡大学的Nancy Carrasco团队在Nature上在线发表了一篇题为Structural insights into the mechanism of the sodium/iodide symporter的科研论文。在过去生理学、生物化学和细胞生物学的研究基础上，本文进一步通过解析NIS的高分辨率结构，结合生化实验和分子动力学模拟，对NIS的转运机制进行了进一步的补充。

本文所用的大鼠NIS与人源NIS之间存在89%的序列一致性，且具有相似的转运特性。在研究人员得到的电子密度图中，NIS以二聚体的形式存在，两部分整体朝向相反。前期研究表明，内源表达的NIS，其N端朝向细胞外，C端位于胞质当中，提示结构所示的二聚形式可能是非生理性的。单个NIS朝向细胞内开口，为LeuT fold，TM2-6和TM7-11呈假二次对称，TM2和TM7弯折的存在形式可能与底物的结合或构象的转变存在一定的相关性。由于密度图中未见任何底物的密度，研究者将其认定为NIS的无底物结合状态。

图2. 大鼠NIS的整体结构

为了进一步阐明NIS为何能对I-有如此之高的亲和力，研究人员同时解析了I-结合的NIS结构 (在蛋白纯化过程中加入2 mM KI)，整体分辨率为3.14 Å。密度图中3团非蛋白密度在后续的分析中分别被确定为I-和Na+。I-周围的氨基酸残基形成局部带正电的环境，在一定程度上稳定了I-的结合。距离I-较近的Na1与Q72、S416相互作用，并与F417之间通过cation-Π进一步稳定，Na2则由与S69、Q72、Y144形成配位键。基于结构的突变和转运试验显示，当这些氨基酸残基被突变后，NIS对I-的转运能力和亲和力均明显降低。

图3. NIS中I-和Na+的结合位点

虽然NIS对I-具有较高的选择性，能够将其与其他的卤族元素区分开，但NIS也能转运含氧阴离子等除I-之外的底物。NIS在转运I-时，I-和Na+的化学计量比通常为1:2，但在转运含氧阴离子时，含氧阴离子和Na+之间的化学计量比则通常为1:1。在本文研究人员解析的结合含氧阴离子ReO4-的NIS结构中，可以观察到两团多余的非蛋白密度，其中较大的为1个ReO4-，较小的为1个Na+，与文献中报道的转运比例相一致 (图4)。在结合ReO4-的NIS中，Na+位于Na1位置，而Na2处无多余密度存在。

图4. I-结合位点与ReO4-结合后NIS局部结构比对情况

在对结构的进一步分析中，研究人员发现，NIS在结合I-和ReO4-时，Q72的构象存在差异 (图4)。在结合ReO4-时，Q72通过氨基与环氧阴离子相互作用，通过羧基与Na+ (Na1相同位置) 相互作用；但在结合I-时，Q72的羧基则与Na2作用。这种作用的方式或许可以解释NIS在结合I-与ReO4-同时转运的Na+数量的差异。

在无底物结合的NIS中，研究人员发现了一个连接底物结合腔隙与胞质的亲水性通道，该通道四周存在许多已知与NIS功能发挥密切相关的氨基酸残基 (图4，d)。进一步结合分子动力学模拟的分析发现，该通道有极大可能对应NIS的底物释放通道。当NIS结合I-后，该通道会被F67的侧链封闭，但同时已经做好向胞质内侧开口的准备。

图5. NIS转运I-的机制模型

文章的最后，综合本文获得的实验结果，研究人员对NIS转运底物的机制进行了推测：当细胞处于生理Na+浓度下时，绝大多数的NIS都会结合2个Na+，且在结合Na+后，NIS对I-的亲和力大大增强。结合I-后的NIS由于转运通道被封闭而进入被堵塞的构象状态，同时准备向胞内释放底物。在底物释放后，NIS会再次从胞外摄取Na+，进入新的转运循环 (图5)。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41586

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转自：“水木未来资讯”微信公众号

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