全 文 ：第23卷 第11期
2011年11月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 11
Nov., 2011
文章编号：1004-0374(2011)11-1052-05
MFS超家族转运蛋白结构与分子机制的研究
孙林峰*，王佳伟，颜　宁*
(清华大学清华-北大联合生物中心，结构生物学中心，生物膜与膜生物工程国家重点实验室，北京 100084)
摘　要：主要协助转运蛋白超家族 (major facilitator superfamily，MFS)是一个主要的次级膜转运蛋白超家族。
MFS超家族蛋白转运底物的多样性使得它们在细胞物质交换和能量代谢过程中起着重要作用。从 2003年
第一个高分辨率的 LacY蛋白三维结构的解析到现在，已经有 5个细菌MFS超家族的蛋白结构被解析出来，
结合大量的生化研究结果，使得对其转运的分子机制有了更为深入的理解。将对MFS超家族蛋白的三维结
构和转运机理进行阐述。
关键词：主要协助转运蛋白超家族；MFS折叠方式；交替通路机制；摇杆开关理论；门控理论
中图分类号：Q51 文献标志码：A
Molecular mechanisms of the major facilitator superfamily transporters
SUN Lin-Feng*, WANG Jia-Wei, YAN Ning*
(State Key Laboratory of Bio-membrane and Membrane Biotechnology, Center for Structural Biology, Tsinghua-Peking
Center for Life Sciences,Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: The major facilitator superfamily (MFS) constitutes one of the largest secondary active membrane
transporter families found on the earth. The diversity of its substrates endows the MFS superfamily with significant
role in the interchange of solutes and energy metabolism. Since the first high resolution structure of LacY
determined in 2003, crystal structure of five members of the MFS superfamily have been obtained. Combined with
the biochemical and biophysical investigations, we now have a better understanding of their transport mechanisms.
The review summarized the advancement in the structural and mechanical understanding of the MFS superfamily
transporters.
Key words: major facilitator superfamily (MFS); MFS fold; alternating access mechanism; rocker-switch model;
gated pore model
收稿日期：2011-08-14
基金项目：国家重点基础研究发展计划(“973”项目)
(2009CB918802，2011CB910501)
*通信作者：孙林峰, E-mail: slf09@mails.tsinghua.edu.
cn; 颜宁, E-mail: nyan@tsinghua.edu.cn
磷脂双层膜为细胞或细胞器提供了一道疏水
屏障，其中的膜转运蛋白承担着营养物质吸收、代
谢产物分泌、细胞与外界的物质信息交换以及产
能耗能等一系列重要的生理活动 [1]。根据转运能
量的来源可以将转运蛋白分为初级主动转运蛋白
(primary active transporters)和次级转运蛋白 (secondary
transporters)。初级主动转运蛋白通过利用ATP水解、
光子吸收、电子流、底物脱羧或甲基转移反应等释
放的能量实现转运过程 [2]，典型代表是 ATP 结合盒
(ATP binding cassette, ABC)超家族；而次级转运蛋
白则是利用由于物质在膜内外浓度不同造成的电化
学渗透势能来转运底物 [3-4]，典型代表是主要协助
转运蛋白超家族 (major facilitator superfamily，MFS)。
ABC超家族和MFS超家族在低等生物和高等生物
中都是广泛存在的，包含的成员众多，在微生物基
因组中编码的转运蛋白中有接近一半都属于这两个
超家族 [5]，其重要性可见一斑。
MFS超家族最初发现时被认为只在糖的吸收
孙林峰，等：MFS超家族转运蛋白结构与分子机制的研究第11期 1053
过程中起作用 [6]，随后的研究发现药物的外排系
统 [7]、有机磷∶磷酸交换系统 [8]、磷酸∶ Na+转运
系统 [9]中的蛋白也都属于这一超家族，MFS超家
族成员的数量也不断扩大，且在自然界中广泛分布，
所发挥的功能各不相同。到目前为止，已经发现有
超过 1万个已测序成员。在转运蛋白分类数据库
TCDB(transporter classification database)[10-11]中根据
蛋白质行使功能的不同及序列同源程度将MFS超
家族分为 67个家族，负责单一转运、溶质∶阳离
子 (H+ 或 Na+)同向转运、溶质∶ H+或溶质：溶质
反向转运过程，运输的底物包含单糖、多元醇、药
物分子、神经递质、Krebs循环代谢物、氨基酸、
肽链、核苷酸、有机阴离子、无机阴离子等。其中
最大的家族是糖转运蛋白家族 (sugar porter family)，
包含 87个成员；其次为药物分子∶ H+反向转运蛋
白 -1家族 (drug : H+ antiporter-1 family)，有47个成员。
从蛋白质序列和拓扑结构上来看，MFS超家
族成员大多由 400~600个氨基酸残基组成，N端和
C端都位于胞内一侧，通过二级结构预测几乎都含
有 12个穿膜 α螺旋，仅有少数含有 6个、14个或
24个穿膜 α螺旋 [12]。含 14个穿膜 α螺旋的蛋白中，
多出的 2个 α螺旋是由于将胞内中间的环状区 (loop)
插入膜中产生的；而含 24个穿膜 α螺旋的蛋白很
有可能是进化过程中将两个功能不同但同源的转运
蛋白连接到一起而产生的 [13]。因此，虽然少数蛋白
成员含穿膜 α螺旋数目不同，但是并不影响MFS
超家族整体的蛋白折叠方式，这被后来对MFS超
家族蛋白三维结构的解析所验证，也将其独特的折
叠方式归类命名为MFS折叠方式 (MFS fold)[14-16]。
1　MFS超家族蛋白质三维结构的解析
尽管对MFS超家族的研究和重要性的认识很
早就已经开始，但是由于膜蛋白三维结构解析存在
很多难点问题，2001年才由 Heymann等 [17]解析出
6.5 Å低分辨率的属于MFS超家族的转运蛋白 OxlT
的三维结构，直到 2003年才由 Abramson等 [18]解
析出 3.5 Å的高分辨率的 LacY蛋白的三维结构。
截至目前，总共有 5个来自细菌的MFS超家
族成员蛋白的高分辨率三维结构被解析 (图 1)，分
别为：来自大肠杆菌 (Escherichia coli)的质子和药
物反向转运蛋白EmrD[19] (PDB代码：2GFP)、磷酸 -3-
甘油∶磷酸 (glycerol-3-phosphate: phosphate) 反
向转运蛋白 GlpT[20] (PDB代码：1PW4)、质子和
乳糖 (lactose)同向转运蛋白 LacY[18,21-22] (PDB代码：
1PV7、2CFQ、2V8N、2Y5Y)、岩藻糖 (fucose)和
质子同向转运蛋白 FucP[23] (PDB 代码：3O7Q、
3O7P)，以及来自沙雷菌 (Shewanella oneidensis)的
具备 14次穿膜结构域的闭合中间态构象的小肽和
质子同向转运蛋白 PepTSo
[24](PDB代码：2XUT)。
在这些结构中，可以将蛋白分为 N和 C两个
结构域，分别含有 6个穿膜 α螺旋，这两个结构域
呈现出非常相似的拓扑结构，以一种假二次轴对称
图1 已知MFS超家族蛋白三维结构示意图
生命科学 第23卷1054
的方式存在 [25]，对称轴垂直于膜平面，而形成每个
结构域的 6个穿膜 α螺旋又可拆分为两组由 3个穿
膜 α螺旋组成的以反向平行方式对称的重复单元。
这种独特的折叠方式被命名为MFS折叠方式，暗
示了整个MFS超家族中的成员都以这种折叠方式
存在，也间接证明了MFS超家族蛋白在进化上是
由 3个穿膜 α螺旋组成的单元起源的 [26]。两个结构
域之间由一段长的胞内环区连接，在 PepTSo结构中
多出的 2个穿膜 α螺旋就位于这段环区，其功能目
前仍不清楚 [24]。
在 LacY及 GlpT结构中，N端和 C端两个结
构域在细胞外的一侧距离很近，呈现一种朝细胞内
开口的构象 (inward open conformation)。而在 FucP
的结构中，这两部分在细胞内一侧是紧密靠近的，
呈现一种朝细胞外开口的构象(outward open conforma-
tion)。另外，EmrD、OxlT和 PepTSo呈现出来的是
一种闭合的构象 (occluded conformation)。这三种构
象的发现说明在MFS折叠方式中 N和 C两个结构
域不仅在折叠方式上是对称的，很有可能在蛋白转
运过程中发生构象变化也是以对称的方式进行相对
运动的。
根据解析出的含有底物类似物的 LacY结构 [22]
以及可能结合二肽底物的 PepTSo结构
[24]显示，底
物的结合位点位于蛋白中心形成的空腔中，这个结
合位点由 N和 C结构域的穿膜 α螺旋共同组成，
距离膜两侧的距离几乎是一样的，同时这个位点也
位于假二次对称的对称轴上。这也就为底物的结合
和转运机理提供了一定的结构基础。
2　MFS超家族蛋白底物转运机制的研究
早在 20世纪 50年代，有研究表明很多物质进
入细胞不仅仅是通过简单的扩散的过程，而是有着
特定的转运机制 [27-28]。60年代，用来解释物质转运
进入细胞的交替通路 (alternating access)机制 [29]被
提出。根据交替通路机制的理论，转运蛋白能够在
向外开口的状态和向内开口的状态间发生构象变
化。首先将其底物结合位点暴露在膜的一侧，底物
结合到蛋白上引发构象变化，从而使得蛋白能够向
膜的另外一侧开口，引起底物的释放，从而完成整
个转运的过程 [30]。整个转运过程不涉及到底物结合
位点的变化，而是依靠转运蛋白的构象变化，引发
底物的结合位点交替开口向细胞膜的两侧，从而完
成物质进入细胞的过程。在这个过程中有两个比较
有名的理论，分别是摇杆开关 (rocker-switch)理论 [31]
和门控运输 (gated pore)理论 [32]。前者强调的是结
构的两部分以底物结合位点为中心，绕轴转动的理
论；后者则是着重于强调底物结合位点的上下的局
部运动，从而达到不同的开关状态。最新研究表明，
交替通路机制需要综合这两个理论才能更好地解释
物质如何被协同运输进入细胞。
根据已知的结构，同一种折叠形式的蛋白往往
只有有限的几种不同构象的结构被解析出来，这从
一个方面证明了这些蛋白在整个转运过程中能够稳
定存在的构象是有限的。因为一旦出现那个中间状
态具备很高或者很低的自由能变化，就会导致很高
的动力学障碍，从而无法出现稳定的多个中间态，
就不会出现我们所见到的不同构象的结构。从这个
意义上说，同一个蛋白或者同一种折叠方式的蛋白
的不同构象的结构组合在一起，就形成了转运蛋白
转运过程的动态过程。
摇杆开关理论就是建立在对MFS超家族已知
结构分析的基础上的：以底物的结合位点为中心摇
杆，蛋白的 N端和 C端的 6个穿膜 α螺旋束重复
单元循环向细胞内 (LacY及 GlpT结构显示 )或向
细胞外 (FucP结构显示 )开放，开关的对称轴平行
于结构重复单元假对称的对称轴。在摇杆开关机制
中，蛋白整体构象可能和结构域内部和结构域之间
的盐桥 (salt bridge)形成以及断裂有关 [33]。底物的
结合能够引起盐桥弱化，使得底物结合产生的能
量能够转移到结构的构象变化中 [34]。而结构域在
构象发生变化的同时，底物的结合位点发生变化，
从而达到转运底物的目的。虽然这些结构构象来
自于不同的蛋白，但是在 Kaback实验室中针对同
一个蛋白 LacY进行的双电子共振 (double electron-
electron resonance)实验 [34]、色氨酸荧光 (tryptophan
fluorescence)实验 [35]、定向烷化反应 (site-directed
alkylation)[36-37]、定向硫醇交联反应 (site-directed
thiol cross-linking)[38]等生化研究表明，LacY蛋白
也经历了一个向外开口的构象。
但是，由于 EmrD的结构以及 OxlT和 PepTSo
的结构显示出来的是一种闭合的构象 (occluded
conformation)，表明底物的转运过程可能还要经过一
个中间状态。这一状态也被双电子共振 (double
electron-electron resonance)实验 [34]和分子动力学模拟
(molecular dynamics simulation)[39-41]所支持。由此可见，
在转运过程中，两个结构域可能不是以刚体的形式
运动，而是围绕着底物结合位点一侧关闭，另一侧
开放。这样就使得摇杆开关理论变得更为完善。
孙林峰，等：MFS超家族转运蛋白结构与分子机制的研究第11期 1055
很多MFS超家族蛋白在转运底物的过程中需
要阳离子 (H+ 或 Na+)的参与，如乳糖 (lactose)∶质
子同向转运蛋白 LacY和岩藻糖 (fucose)∶质子同
向转运蛋白 FucP。这两个蛋白都可以利用胞内外的
质子浓度梯度提供的化学势能驱动转运底物在胞内
的积累。因此，质子在转运过程中发挥了重要的作
用。通过对 LacY蛋白进行大量的生化实验和结构
生物学研究表明，质子的协同转运过程中涉及了复
杂的盐桥和氢键 (H-bond)网络 [42]，其中一些重要
氨基酸残基参与了质子结合、传递和释放的过程。
根据 Kaback等 [42]提出的理论模型，LacY在向外
开口的构象下很不稳定，容易被质子化 [43]。269位
的谷氨酸 (glutamate)与质子结合，然后底物乳糖
(lactose)被蛋白识别，随之诱导质子发生传递，转
移至 325位的谷氨酸上。这一过程驱动蛋白发生构
象变化，变成向内开口构象，将底物释放到细胞内，
紧接着质子也被从 325位的谷氨酸上释放下来，蛋
白随即变为向外开口的构象，开始下一个循环，整
个过程如图 2所示 [42]。在对 FucP蛋白的研究中 [23]
也发现，位于蛋白 N结构域转运通道上的两个酸性
氨基酸 D46和 E135在质子协同转运过程中也发挥
着重要的作用，可能发生着质子化和去质子化的过
程，驱动蛋白的构象变化，促进底物的转运。
3　MFS超家族的研究前景展望
作为重要的膜转运蛋白超家族之一，MFS超
家族不论在低等生物还是高等生物中都广泛存在并
发挥着不可或缺的作用。近年来，随着膜蛋白结构
生物学研究的发展和各类生化实验手段的提高，我
们开始越来越多地认识到这一超家族转运的分子机
制。然而，许多重要的问题仍然悬而未决，例如，
MFS超家族中的蛋白序列相似度大多很低，但是为
何能形成非常相似的折叠方式；随着更多MFS超
家族蛋白高分辨率三维结构的解析，是否可以更准
确地进行结构预测；在转运过程中，到底存在几个
稳定的构象；对于同一MFS超家族蛋白来说，能
否解析出更多不同的构象。在已解析出的蛋白结构
中，包含有底物的复合物结构非常匮乏，很多与底
物结合的重要氨基酸只能通过生化实验的手段被间
接证实，需要通过 X-ray、NMR或其他手段来直接
看到。另外，一些发挥重要生理功能的MFS超家
族转运蛋白的结构仍然没有得到解析，这其中就包
括动物细胞中葡萄糖的转运蛋白，这些蛋白结构的
解析将会对人类疾病治疗起到重要的指导意义。在
有质子参与的协同转运过程中，质子转运是如何与
底物转运耦合的，哪些氨基酸参与了质子结合和传
递的过程，质子结合和传递是如何驱动蛋白质构象
发生变化的？虽然已有大量的实验研究结果在这些
问题上给了我们一些启示，但是仍然需要寻找更多
的解释，这也需要更多实验技术手段的发展以及利
用分子动力学模拟 (molecular dynamics simulation)等
方法从分子尺度上进行阐明。这也将促进对MFS
超家族蛋白转运机制的理解，并为人类疾病治疗提
供更多的药物靶点和手段。
[参　考　文　献]
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