痛风与高尿酸血症，正成为威胁现代人健康的“隐形杀手”，而人类葡萄糖转运蛋白9（GLUT9），作为调控尿酸重吸收的核心“阀门”，一直是代谢疾病领域的研究焦点。
今天和大家分享一篇关于GLUT9识别尿酸、被芹菜素抑制的分子奥秘的文章，该文章于2024年6月发表在Nature Communications杂志上，标题为“Structural basis for urate recognition and apigenin inhibition of human GLUT9”。
01研究思路
该研究聚焦于结构解析、机制验证与药物启示三大核心环节。首先，运用冷冻电镜技术，以3.5Å和3.3Å的高分辨率解析GLUT9与尿酸、芹菜素的复合物结构，发现GLUT9呈内向开放构象，尿酸通过W336、N333等关键残基形成的氢键网络，结合L75、I209等构成的疏水笼实现特异性识别；芹菜素则凭借π-π堆积与N458、Y327等残基相互作用，竞争性占据尿酸结合位点。随后，通过分子对接与MD模拟量化结合自由能，明确相互作用强度；并对关键残基进行定点突变，如W336A、Y327A等，结合MST、全细胞膜片钳等技术，验证这些残基对尿酸结合、转运活性及芹菜素抑制效果的决定性作用。最后，整合结构与功能数据，揭示GLUT9依赖“氢键 - 疏水协同作用”识别尿酸，芹菜素通过竞争性结合阻断转运循环的机制。该研究不仅阐明了GLUT9的底物选择性原理，更为靶向设计高效、特异性痛风治疗药物提供了结构模板，为攻克高尿酸血症相关疾病指明了方向。
02主要结果
（1）GLUT9 特异性识别尿酸盐的分子基础
通过冷冻电镜技术，发现尿酸结合于GLUT9的中央腔，复杂的结构揭示了GLUT9与底物尿酸盐之间的广泛相互作用。W336、N333、Y327 三个氨基酸像 "分子手" 与尿酸形成稳定氢键，L75、I209、L332组成的疏水口袋完美适配尿酸的嘧啶环结构，离子键和范德华力协同锁定增强其稳定性。分子动力学模拟显示，晶体结构的静态相互作用以及N333等残基的动态调节机制，为理解GLUT9的运输循环提供了关键信息。将GLUT9的W336、N333、Y327等位点突变为丙氨酸，利用MST检测突变体与尿酸的结合亲和力，证实GLUT9识别尿酸的关键位点及作用机制。
（2）GLUT9偏好尿酸盐而非葡萄糖的结构基础
GLUT9与GLUT1具有相似的整体架构，但GLUT9中关键残基的替换（如E380→C427导致葡萄糖氢键丧失、I168→V213削弱疏水作用）及 L75、W336等残基与葡萄糖的空间位阻（2.7Å–3.1 Å），使其仅能通过Y327等部分残基弱结合葡萄糖，转运效率较尿酸盐低45–60倍；微量热涌动实验（MST）证实，W336F和Y327Q突变使尿酸盐结合亲和力分别降至230.9–361.0 μM和866.8 μM，揭示这两个残基为偏好决定性位点；分子动力学模拟（MD）进一步表明，GLUT9 - 尿酸盐复合物的结合残基均方根波动（RMSF）更低，其直接氢键、疏水作用及水介导氢键数量显著多于GLUT9 - 葡萄糖复合物，且模拟中与尿酸盐的接触次数更多，通过结合口袋残基的特异性改造与复合物稳定性优势，最终实现对尿酸盐的高效转运偏好。
（3）GLUT9被API阻断的结构机制与作用基础
冷冻电镜密度显示API沿转运路径结合于GLUT9中央腔，其稳定性由E364、C427、Y327、N458 形成的氢键等极性相互作用，以及F426、I209等包围抑制剂碳骨架的疏水相互作用维持，同时W336 与API形成π-π相互作用；与GLUT9 - 尿酸盐结构比对表明，API结合时整体骨架结构基本一致，仅 W336侧链需翻转以避免与尿酸盐结合时的空间冲突并重新建立氢键。MST实验证实，N458A、Y327A、W336A、C427A突变显著降低API结合亲和力，其值分别在0.5±0.1μM至4.1±1.1μM、2.2±0.7μM、1.3±0.3μM和1.0±0.2μM之间。而I209A和E364A影响甚微，尽管结构预测C427和E364均参与氢键，但E364A对结合几乎无影响，提示C427在氢键形成中起更关键作用，这些发现为GLUT9靶向药物优化提供了关键残基靶点。
03参考文献
Shen Z, Xu L, Wu T, et al. Structural basis for urate recognition and apigenin inhibition of human GLUT9. Nat Commun.2024;15:5039.