专家点评Sci Bull | 曹禹/周璐/李嫣团队解析AQP7催化甘油分子跨膜转运的结构基础
甘油是十八世纪晚期由化学家Carl Wilhelm Scheele在橄榄油中分离获得，其得名于发现者对它性质的描述，“油脂的甘味之源（sweet principle of fat）”[1]。甘油分子被发现是重要的生物小分子之一，活跃地参与能量代谢和重要的生物合成通路。人体的甘油主要以甘油三酯的形式储存于脂肪组织中，在能量匮乏时候通过水解动员产生游离甘油分子，并通过血液循环向全身输送。虽然名称带有一个“油”字，但甘油是典型的亲水小分子，自发透过疏水性细胞膜的能力很差。因此，为确保甘油从储存细胞中的高效释放以及被目的细胞快速吸收，生物体进化出多种具备跨膜转运甘油分子的通道蛋白。人体中的甘油通道蛋白主要来自于水通道Aquaporin蛋白家族，该家族目前已经发现具有十三个成员蛋白，分别命名为AQP0-12，其中AQP3、7、9、10被认为是具备甘油转运能力的通道蛋白。
长期以来，甘油通道的研究由于没有精确的结构模型而进展缓慢，妨碍了人们对于甘油代谢这一关键环节的理解。而从2018年开始，随着AQP10结构的解析甘油跨膜转运的分子机制研究逐渐走进了人们的视野[2]，而对于在脂肪细胞中高水平表达的AQP7的结构解析工作更是受到多个研究团队的关注。
2019年底，蛋白质数据库发表了多个AQP7的晶体结构，基于这些结构数据的研究论文则在随后的时间内次第发表。Science Bulletin近期在线发表了上述AQP7结构之一的相关研究工作[3]，该文于2019年11月在bioRxiv服务器上以预印本形式公开（https://doi.org/10.1101/858332）。
在这项工作中，实验人员利用X射线晶体学方法成功解析了人类AQP7蛋白四聚体的结构，与同期发表的其他两个结构不同[4, 5]，这一晶体结构中的AQP7通道处于“双重锁定”的封闭构象；同时在朝向细胞外侧的由精氨酸和芳香族氨基酸构成的“大门”之外，研究团队还发现了一个甘油结合位点，甘油分子在该处与精氨酸残基R229紧密结合，被认为是甘油进入通道前的“叩门”准备动作。随后该文作者利用SPR技术与同位素标记的底物转运测活技术证实了这一结合位点的重要性。
更进一步，该文作者还利用分子动态模拟技术根据所解析的结构对甘油通过AQP7完成跨膜转运进入细胞的过程进行了还原，直观地让人们了解甘油这样的亲水分子是如何通过蛋白折叠形成的亲水孔道进入细胞的。
值得一提的是，该项目的探索过程中，科研人员还全面评估了三种甘油通道的转运活性，意外地发现AQP3、7和10均在生理条件下表现出良好的甘油摄入能力，这颠覆了此前人们对于AQP10是pH依赖型通道并且在生理条件下并不开放的认知[2]，使本领域对于甘油通道各成员的转运能力有了一个全新的认识。
甘油通道蛋白的中央通路。中间：AQP7分子中央的跨膜亲水通路（青色网状结构）；右侧：AQP10分子的中央的跨膜亲水通路（绿色网状结构）；左侧，AQP7与AQP10中央通路的半径沿跨膜方向的变化。
专家点评
□ 李朝军（南京大学）
甘油是高度亲水的多羟基三碳化合物，被认为是细胞代谢的核心中间代谢物之一。该分子可见于多条代谢通路的交汇之处，例如糖酵解和糖异生（糖代谢）、脂类合成、脂类水解和甘油合成（脂代谢）、磷酸戊糖通路（核酸代谢）、氨基酸合成以及氧化磷酸化等。血液中的甘油水平通常被控制在一个狭小的范围内，但是在肥胖或糖尿病患者体内甘油水平则持续走高。约70%-90%的甘油代谢在肝脏内进行，然而，大多数甘油代谢相关的酶类也在睾丸中特异性表达，提示甘油代谢与睾丸生物学进程存在关联。睾丸中的高浓度甘油可破坏血睾屏障（BTB）并且使精细胞与支持细胞解离，导致临时性或永久性精子缺乏症。
血液与组织液中的病理性高甘油水平可影响细胞内用于甘油代谢的底物存量，甘油跨膜运输过程是通过水-甘油通道蛋白（aquaglyceroporins, AQGPs）进行。细胞内的甘油浓度受到水甘油通道的控制。水甘油通道是水通道蛋白（aquaporin）家族的一个亚家族，在至今人类中发现的13种水通道蛋白中，4种AQGP蛋白（AQP3、AQP7、AQP9、AQP10）可以转运甘油分子。
自从上世纪90年代Peter Agre发现第一个AQP基因以来，结构生物学家进行了不懈的努力，通过一系列的结构解析工作揭示了AQP蛋白辅助水分子跨膜运输的分子机制。第一个甘油通道AQP10的结构于2018年被解析，此后科学家显示出对解析甘油通道结构的巨大兴趣，在脂肪细胞中主要负责甘油转运的AQP7蛋白的多个构象先后被不同团队解析，并在2019年底公开于数据库中。其中de Maré等人解析了AQP7的开放构象，Moss等人解析了AQP7的过滤器关闭构象，而上海交通大学医学院曹禹团队则解析了AQP7的完全关闭构象。结合此前发表的AQP10所处的“即将开放”构象，研究人员得以重构甘油分子进出细胞的动态过程，展示甘油通道的Ar-R过滤器、NPA基序与细胞内门控是如何协调一致实施甘油转运功能。
曹禹团队的另一项有趣的发现是AQP7与AQP10均为在生理条件下具备甘油摄取功能的蛋白，这与先前Gotfryd等人在AQP10结构生物学中给出的结果并不一致，后者仅仅在低于6的pH下才能测试出AQP10的甘油转运活性。这一差异驱使着科学家进一步去探索水甘油通道的功能多样性。此外，由于不同的水甘油通道蛋白在组织与器官的分布存在差异，AQP3、7、9、10在转运活性与调控机制上的差异至今成谜，这些甘油通道之间在多大程度上能够代偿彼此的功能也是一个值得探究的问题。
多团队解析的甘油通道结构比较与甘油分子在多代谢通路中的交汇点定位
该项工作是由上海交通大学医学院附属第九人民医院精准医学研究院和骨科的曹禹团队同复旦大学药学院的周璐团队与李嫣团队联合完成，该研究受到了科技部重点研发项目（2018YFC1004704和2017YFC1001303）和国家自然科学基金（U1632132、31670849和91853206）的资助。该文的第一作者为中科院分子细胞科学卓越创新中心的张丽同学、上海科技大学的姚德强博士和上海交通大学医学院附属第九人民医院的助理研究员夏莹。
[1] Miner CS, Dalton NN. Glycerol. New York,: Reinhold Pub. Corp., 1953
[2] Gotfryd K, Mosca AF, Missel JW, et al. Humanadipose glycerol flux is regulated by a ph gate in aqp10. Nat Commun, 2018, 9: 4749
[3] Zhang L, Yao D, Xia Y, et al. The structural basis for glycerol permeation by human aqp7. Science Bulletin, 2020
[4] de Mare SW, Venskutonyte R, Eltschkner S, et al. Structural basis for glycerol efflux and selectivity of human aquaporin 7. Structure, 2020, 28: 215-222 e213
[5] Moss FJ, Mahinthichaichan P, Lodowski DT, et al. Aquaporin-7: A dynamic aquaglyceroporin with greater water and glycerol permeability than its bacterial homolog glpf. Front Physiol, 2020, 11: 728
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