Nat Commun｜王亚鑫/娄智勇/叶升/徐冰红合作解析人源OCTN1结构与转运机制

有机阳离子转运蛋白OCTN1（ SLC22A4 ）是 SLC22 超家族重要成员，负责转运麦角硫因（ ET ）、乙酰胆碱（ ACh ）等多种两性离子与阳离子底物，在机体代谢、药物转运以及肿瘤发生发展中扮演关键角色。在肿瘤细胞的非神经元胆碱能系统中， OCTN1 介 导乙酰胆碱的胞内外转运，促进宫颈、肺癌细胞增殖与侵袭，是极具潜力的抗肿瘤靶点。但长期以来，人源 OCTN1 高分辨率三维结构缺失，底物识别、钠依赖转运的分子机制以及靶向小分子开发都受到极大限制。

2026 年 9 月 14 日 ，天津大学 医学部 生命科学学院王亚鑫/叶升/徐冰红团队 与 清华大学娄智勇课题组合作，在 Nature Communications 杂志发表题为 Structural and mechanistic insights into OCTN1-mediated transport and cancer cell proliferation 的研究论文。 该工作利用冷冻电镜解析人源OCTN1无底物（ apo ，向外开放构象）与麦角硫因结合（ ET‑bound ，向内开放构象）两套高分辨率结构，阐明钠依赖的底物转运机制。通过基于结构的虚拟筛选，发现老药甲苯咪唑（ Mebendazole, MBZ ）是 OCTN1 纳 摩尔级 强效抑制剂，在细胞与动物模型证实 MBZ 通过靶向 OCTN1 抑制宫颈癌、肺癌的增殖与转移，为 OCTN1 靶向抗肿瘤药物重定位与分子改造提供坚实结构基础。

该 研究利用 单颗粒 冷冻电镜技术，解析了人源 OCTN1 两种关键功能构象的高分辨率结构：分辨率 3.11 Å 的 apo 向外开放构象，以及分辨率 3.37 Å 的麦角硫因（ ET ）结合向内开放构象，完整捕捉转运蛋白在底物转运过程中的两种核心状态，为解析 OCTN1 的转运机制提供直接的结构模板。

基于两套冷冻电镜结构，结合突变体功能实验，研究证实 OCTN1 执行 Na⁺ 偶联的底物转运模式。尽管电镜密度未直接 观测到钠离子 ，但是序列比对、定点突变与底物摄取实验证实， OCTN1 拥有一套高度保守的钠离子配位残基 。 钠离子结合口袋与中心底物口袋之间依靠一套连续的氢键网络建立别构通讯通路，钠离子的结合可以通过该网络传递构象信号，进而激活底物结合口袋，完成底物识别。

为阐释 OCTN1 区别于家族其他成员的底物偏好性，研究将 OCTN1 与同家族阳离子转运蛋白 OCT1【1】开展结构比对。结果发现， OCTN1 底物口袋同时存在带负电的 E381 与带正电的 R469 残基，共同构筑双极性静电微环境。这一独特的静电特征正是 OCTN 家族识别麦角硫因、肉碱等两性离子底物的结构基础 。

图 1 OCTN1 结构、钠偶联转运与底物口袋静电特性解析

进一步，将 OCTN1 结构与已报道的 OCTN2 高分辨结构【2】进行交叉对比。 OCTN1 与 OCTN2 高度同源，钠离子配位位点、别构耦合氢键网络、关键的电荷残基均 保守。结合构象动态变化，研究团队还原了 OCTN1 完整的转运循环：遵循 MFS 超家族经典的 rocker-switch 机制， N 端与 C 端结构域发生 刚体相对转动， TM7 、 TM10 跨膜螺旋发生显著偏转，实现 “ Outward open Occluded Inward open ” 的构象切换 。 据此提出 OCTN1 的钠偶联两性离子底物转运模型：钠离子先结合别构激活转运蛋白，随后底物 麦角硫因结合 ， 经过闭塞中间态，构象切换为向内开放，将 Na⁺ 与底物依次释放至胞内，完成 一 轮转运周期。

图 2 OCTN1 底物转运模型

基于 OCTN1 ET 向内开放构象对 FDA 上市药物 库开展 结构虚拟筛选，经 BLI 亲和力验证，鉴定出纳 摩尔级 OCTN1 强效抑制剂 —— Mebendazole 。作者 结合 AlphaFold3 预测、分子动力学模拟，辅以 BLI 与 SPR 突变实验解析 了 其结合模式。细胞实验显示，该抑制剂可 通过靶向 OCTN1 抑制 HeLa 宫颈癌、 A549 肺癌细胞增殖 与迁移 。在 HeLa 、 A549 异种移植小鼠模型中，该候选分子可显著抑制体内肿瘤生长，且小鼠体重稳定，主要脏器无明显病理损伤，展现出较好的体内安全性。

本工作解析人源OCTN1两种关键构象冷冻电镜结构，系统阐明OCTN1钠偶联转运的分子机理，揭示双极性静电口袋决定OCTN家族识别两性离子底物的结构基础，并通过和OCTN2的对比构建完整转运循环模型。同时挖掘得到靶向 OCTN1 的已上市小分子抑制剂，在细胞与动物层面验证其抗宫颈癌、肺癌活性。该研究不仅解释了膳食抗氧化剂 麦角硫因细胞 摄取的分子机制，也为 SLC 家族转运蛋白的药物重定位、后续高特异性抑制剂的理性设计提供关键的结构支撑。

天津大学 医学部 生命科学学院 副研究员 徐冰红 为本文的第一 兼共同 通讯作者， 清华大学 博士后 梁胜剑， 天津大学 医学部 生命科学学院 硕士 研究生 王梓瑜 ， 博士研究生 周晓雨 为 本文的共同第一作者 。 天津大学 医学部 生命科学学院 / 河北清华发展研究院 王亚鑫 ， 清华 大学 / 河北清华发展研究院 娄智勇 ， 天津大学 医学部 生命科学学院 叶升，祝诚， 河北医科大学史赛 为 本文的共同通讯作者 。

10.1038/s41467-026-77727-2

制版人： 十一

参考文献

[ 1 ] Suo, Y. et al. Molecular basis of polyspecific drug and xenobiotic recognition by OCT1 and OCT2.Nature Structural & Molecular Biology30, 1001-1011, doi:10.1038/s41594-023-01017-4 (2023).

[ 2 ] Davies, J. S. et al. Structural basis of sodium ion-dependent carnitine transport by OCTN2.Nature Communications17, doi:10.1038/s41467-025-66867-6 (2025).

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