長春應(yīng)化所利用多種單分子技術(shù)揭示葡萄糖轉(zhuǎn)運體在細胞膜的分布形態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)。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(lián)系還未完全解析，尤其是單個葡萄糖分子跨膜轉(zhuǎn)運的動態(tài)過程，葡糖糖與葡萄糖轉(zhuǎn)運體之間的動態(tài)相互作用關(guān)系仍未闡明。隨著對細胞膜結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識的不斷發(fā)展，許多研究發(fā)現(xiàn)膜蛋白在細胞膜上呈現(xiàn)聚集狀態(tài)的分布特征。蛋白質(zhì)層-脂質(zhì)-蛋白島（Protein Layer-Lipid-Protein Island, PLLPI）細胞膜結(jié)構(gòu)模型強調(diào)，在細胞膜的外質(zhì)側(cè)形成了一個密集的蛋白質(zhì)層，并在細胞質(zhì)一側(cè)形成了分散的蛋白質(zhì)微區(qū)域(microdomians)。超分辨率熒光顯微成像技術(shù)突破了光學(xué)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(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所王宏達研究員課題組與中國科學(xué)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(xué)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(fā)現(xiàn)GLUT1轉(zhuǎn)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(zhì)筏（Lipid Rafts）之間有共定位分布的空間聯(lián)系。同時還發(fā)現(xiàn)不僅脂質(zhì)筏區(qū)域的環(huán)境可以穩(wěn)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(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊（PNAS）DOI: 10.1073/pnas.1803859115?
為了研究單個葡萄糖分子跨膜轉(zhuǎn)運的動態(tài)過程，王宏達研究員課題組與中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的李國輝研究員課題組合作，應(yīng)用基于原子力顯微鏡（AFM）的力示蹤技術(shù)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(yīng)的時間為20毫秒。此外，實驗結(jié)果與通過分子動力學(xué)模擬計算獲得的數(shù)據(jù)相一致，說明兩個鹽橋（K38/E299和K300/E426）在GLUT1介導(dǎo)的葡萄糖分子的跨膜轉(zhuǎn)運過程中發(fā)揮了關(guān)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(fā)表在英國皇家化學(xué)會Nanoscale Horizons雜志DOI: 10.1039/c8nh00056e。?
該項研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等支持。?
（A）蛋白質(zhì)層-脂質(zhì)-蛋白島（PLLPI）細胞膜結(jié)構(gòu)模型；
（B）GLUT1在細胞膜的超分辨成像；GLUT1與脂筏結(jié)的雙色成像；甲基β環(huán)糊精（MβCD）和疊氮化鈉（NaN3）處理后GLUT1的分布；標(biāo)尺：5 μm
?。?span>電分析化學(xué)重點實驗室、
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