长春应化所揭示单个葡萄糖分子跨膜转运的动态过程

　　葡萄糖分子是维持细胞代谢和生命活动的重要能量来源。葡萄糖转运体1(GLUT1)广泛存在于人体细胞表面，对于维持正常生理功能极为重要，其表达和功能异常与很多疾病相关。

　　然而，GLUT1在细胞膜上的详细定位与分布信息，以及定位分布信息与它们的生理功能之间的联系还未完全解析，尤其是单个葡萄糖分子跨膜转运的动态过程，葡糖糖与葡萄糖转运体之间的动态相互作用关系仍未阐明。随着对细胞膜结构与功能认识的不断发展，许多研究发现膜蛋白在细胞膜上呈现聚集状态的分布特征。蛋白质层-脂质-蛋白岛（Protein Layer-Lipid-Protein Island, PLLPI）细胞膜结构模型强调，在细胞膜的外质侧形成了一个密集的蛋白质层，并在细胞质一侧形成了分散的蛋白质微区域(microdomians)。超分辨率荧光显微成像技术突破了光学衍射极限，为解决GLUT1的分布特点和组织机制提供了一种特别合适的研究手段。

　　近日，中国科学院长春应用化学研究所王宏达研究员课题组与中国科学院昆明植物研究所熊文勇研究员课题组合作，利用直接随机光学重建超分辨显微镜（dSTORM）对GLUT1的分布和组装进行了研究。研究发现GLUT1转运体在HeLa细胞膜上形成了平均直径约为250纳米的聚集体。GLUT1和脂质筏（Lipid Rafts）之间有共定位分布的空间联系。同时还发现不仅脂质筏区域的环境可以稳定GLUT1在在细胞膜上的分布，而且肌动蛋白细胞骨架和N-糖基化在GLUT1聚集体的形成中起着重要的作用。该成果发表在美国国家科学院院刊（PNAS）DOI: 10.1073/pnas.1803859115

　　为了研究单个葡萄糖分子跨膜转运的动态过程，王宏达研究员课题组与中国科学院大连化学物理研究所的李国辉研究员课题组合作，应用基于原子力显微镜（AFM）的力示踪技术直接检测了一个葡萄糖分子跨越细胞的力为37±9皮牛，与之对应的时间为20毫秒。此外，实验结果与通过分子动力学模拟计算获得的数据相一致，说明两个盐桥（K38/E299和K300/E426）在GLUT1介导的葡萄糖分子的跨膜转运过程中发挥了关键作用。本研究首次在单分子水平上对单个葡萄糖分子的跨膜过程进行了观察和解析。该成果发表在英国皇家化学会Nanoscale Horizons杂志DOI: 10.1039/c8nh00056e。

　　该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持。

　　（A）蛋白质层-脂质-蛋白岛（PLLPI）细胞膜结构模型；

　　（B）GLUT1在细胞膜的超分辨成像；GLUT1与脂筏结的双色成像；甲基β环糊精（MβCD）和叠氮化钠（NaN3）处理后GLUT1的分布；标尺：5 μm