長(zhǎng)春應(yīng)化所利用多種單分子技術(shù)揭示葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體在細(xì)胞膜的分布形態(tài)和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制

　　葡萄糖分子是維持細(xì)胞代謝和生命活動(dòng)的重要能量來(lái)源。葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體1(GLUT1)廣泛存在于人體細(xì)胞表面，對(duì)于維持正常生理功能極為重要，其表達(dá)和功能異常與很多疾病相關(guān)。然而，GLUT1在細(xì)胞膜上的詳細(xì)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(gè)葡萄糖分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程，葡糖糖與葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體之間的動(dòng)態(tài)相互作用關(guān)系仍未闡明。隨著對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能認(rèn)識(shí)的不斷發(fā)展，許多研究發(fā)現(xiàn)膜蛋白在細(xì)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(xì)胞膜結(jié)構(gòu)模型強(qiáng)調(diào)，在細(xì)胞膜的外質(zhì)側(cè)形成了一個(gè)密集的蛋白質(zhì)層，并在細(xì)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(diǎn)和組織機(jī)制提供了一種特別合適的研究手段。 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所王宏達(dá)研究員課題組與中國(guó)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(jī)光學(xué)重建超分辨顯微鏡（dSTORM）對(duì)GLUT1的分布和組裝進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)GLUT1轉(zhuǎn)運(yùn)體在HeLa細(xì)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(shí)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(xì)胞膜上的分布，而且肌動(dòng)蛋白細(xì)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(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊（PNAS）DOI: 10.1073/pnas.1803859115 

　　為了研究單個(gè)葡萄糖分子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的動(dòng)態(tài)過程，王宏達(dá)研究員課題組與中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的李國(guó)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(cè)了一個(gè)葡萄糖分子跨越細(xì)胞的力為37±9皮牛，與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間為20毫秒。此外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與通過分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算獲得的數(shù)據(jù)相一致，說明兩個(gè)鹽橋（K38/E299和K300/E426）在GLUT1介導(dǎo)的葡萄糖分子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)單個(gè)葡萄糖分子的跨膜過程進(jìn)行了觀察和解析。該成果發(fā)表在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)Nanoscale Horizons雜志DOI: 10.1039/c8nh00056e。 

　　該項(xiàng)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。