我揭示葡萄糖轉運體在細胞膜的分布形態和動態轉運機制

　　葡萄糖分子是維持細胞代謝和生命活動的重要能量來源。葡萄糖轉運體1(GLUT1)廣泛存在于人體細胞表面，對于維持正常生理功能極為重要，其表達和功能異常與很多疾病相關。然而，GLUT1在細胞膜上的詳細定位與分布信息，以及定位分布信息與它們的生理功能之間的聯系還未完全解析，尤其是單個葡萄糖分子跨膜轉運的動態過程，葡糖糖與葡萄糖轉運體之間的動態相互作用關系仍未闡明。隨著對細胞膜結構與功能認識的不斷發展，許多研究發現膜蛋白在細胞膜上呈現聚集狀態的分布特征。蛋白質層-脂質-蛋白島（Protein Layer-Lipid-Protein Island, PLLPI）細胞膜結構模型強調，在細胞膜的外質側形成了一個密集的蛋白質層，并在細胞質一側形成了分散的蛋白質微區域(microdomians)。超分辨率熒光顯微成像技術突破了光學衍射極限，為解決GLUT1的分布特點和組織機制提供了一種特別合適的研究手段。

　　近日，中國科學院長春應用化學研究所王宏達研究員課題組與中國科學院昆明植物研究所熊文勇研究員課題組合作，利用直接隨機光學重建超分辨顯微鏡（dSTORM）對GLUT1的分布和組裝進行了研究。研究發現GLUT1轉運體在HeLa細胞膜上形成了平均直徑約為250納米的聚集體。GLUT1和脂質筏（Lipid Rafts）之間有共定位分布的空間聯系。同時還發現不僅脂質筏區域的環境可以穩定GLUT1在在細胞膜上的分布，而且肌動蛋白細胞骨架和N-糖基化在GLUT1聚集體的形成中起著重要的作用。該成果發表在美國國家科學院院刊（PNAS）。

　　為了研究單個葡萄糖分子跨膜轉運的動態過程，王宏達研究員課題組與中國科學院大連化學物理研究所的李國輝研究員課題組合作，應用基于原子力顯微鏡（AFM）的力示蹤技術直接檢測了一個葡萄糖分子跨越細胞的力為37±9皮牛，與之對應的時間為20毫秒。此外，實驗結果與通過分子動力學模擬計算獲得的數據相一致，說明兩個鹽橋（K38/E299和K300/E426）在GLUT1介導的葡萄糖分子的跨膜轉運過程中發揮了關鍵作用。本研究首次在單分子水平上對單個葡萄糖分子的跨膜過程進行了觀察和解析。該成果發表在英國皇家化學會Nanoscale Horizons雜志。

　　該項研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持。

　　（A）蛋白質層-脂質-蛋白島（PLLPI）細胞膜結構模型

　　（B）GLUT1在細胞膜的超分辨成像；GLUT1與脂筏結的雙色成像；甲基β環糊精（MβCD）和疊氮化鈉（NaN3）處理后GLUT1的分布；標尺：5 μm