来源｜西湖大学、学之策
这是城市中一处通宵达旦的能量工厂。
每天，都有一车车源源不断新生产的燃料到达大门口。在那里，有位兢兢业业的搬运工站岗，负责把燃料运送到工厂内。经由一系列复杂的加工，这些燃料转化为能源，供给工厂所在的这座城市。
这座城市，叫做人体细胞。它的能量工厂，是线粒体。工厂所需的燃料，是丙酮酸。而工厂里的那位“搬运工”，则是今天的绝对主角：丙酮酸载体，MPC（请记住这个简称，接下来它会一直出现）。
北京时间2025年3月19日0时，西湖大学生命科学学院马丹课题组与吴旭冬课题组、卢培龙课题组合作，在Nature杂志在线发表了最新研究成果（Structures and mechanism of human mitochondrial pyruvate carrier），他们首次揭示了人体细胞线粒体内膜上的“搬运工”MPC运输“燃料”的全过程，并找到抑制“搬运工”MPC活性的通用方式，对以MPC为对象开发特定代谢依赖性癌症、糖尿病等代谢紊乱相关疾病的靶向药物具有重大指导意义。
马丹实验室的博士生梁嘉明、史珺辉，吴旭冬实验室的博士生宋爱龙是该文章的共同第一作者，马丹和吴旭冬为共同通讯作者。
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原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08873-8
01
看不清的“搬运工”
“民以食为天”，这句话在人体代谢的重要性上表现得淋漓尽致。
人体细胞中有一种叫做线粒体的细胞器，有“能量工厂”之名，它能够不断产生能量分子（即ATP）来供给细胞和机体需求（图1）。
图1. 丙酮酸代谢与运输简图
既然有能量输出，必然有输入。线粒体用来生产能量最核心的“燃料”，就是我们前文提到的丙酮酸，它由细胞质中的葡萄糖代谢产生（图1）。丙酮酸在细胞中的这段“旅途”，与糖、氨基酸和脂肪酸代谢等多种人体最主要和最重要的能量代谢途径息息相关，因而意义重大。
这其中，最重要的一环就是丙酮酸如何进入“能量工厂”线粒体，去能量生产线报到。线粒体有双层膜，丙酮酸必须历经两重“考验”：第一层外膜，结构相对简单、孔隙较多，它可以轻松通过；第二层内膜，则必须通过“搬运工”，即丙酮酸载体MPC，它才能顺利通行（图1）。
事实上，几十年前科学家就已在细胞中发现了丙酮酸“搬运工“的存在，但直至2012年才确认了它的身份，然而，它究竟是怎么完成“燃料”运输的？科学家们一直没能找到答案。
这个悬而未决的谜题在当下变得格外诱人，近年来有多项研究表明，MPC功能异常与癌症、Ⅱ型糖尿病、神经退行性疾病及其他代谢紊乱相关疾病密切相关，是治疗相关疾病的重要靶点。
02
啃下超小“硬骨头”
2019年，马丹结束了在美国华盛顿大学（西雅图）四年多的博士后研究工作，加入刚刚成立不久的西湖大学，在石龙山街18号搭建了自己作为独立PI的第一个实验室。她重点聚焦蛋白质结构与功能研究，自然而然地留心到线粒体膜上的这位重要又神秘的“搬运工”MPC，决定开启这个方向的研究。
但MPC是结构生物学领域最难“啃”的硬骨头之一，因为“抓不到”。
从大小上来说，MPC蛋白总分子量仅有大约26 kDa（千道尔顿），太小了！即使是超强的冷冻电镜，最理想的用于结构解析的蛋白也应大于100 kDa。
从性质上来说，MPC可溶于水的部分微乎其微且产量极低。对现行获得蛋白质高分辨率三维结构的两种研究方法（即冷冻电镜和X射线晶体学方法）而言，这都是致命的弱点。
此外，以往研究和团队自身经验都表明，纯化的MPC复合物不那么稳定。没有稳定的对象，研究就无从谈起……
总结一句话：MPC这家伙，特别“磨人”！
马丹已经记不清从第一次讨论确定选题至今，经历了多少尝试，多少失败，多少辛酸。期间，同在生命科学学院的PI吴旭冬，因为具有纳米抗体方面的研究经验，有助于“稳固”并“增大”MPC，也带领博士生宋爱龙加入了团队。
这个发生在两个实验室、三位博士生之间的合作研究，一次次重复西西弗斯般的循环：梁嘉明提供MPC蛋白样品，宋爱龙筛选特异与MPC结合的纳米抗体，梁嘉明制备优化MPC电镜样品并收集数据，史珺辉做计算分析搭建结构模型，梁嘉明做生化实验验证……结果不理想？重来！再重来！很多次，马丹鼓励学生们，也同样是鼓励自己说：“相信我，以后你们会变得坚不可摧，同时也会无坚不摧。”
最后，他们终于啃下了这块超小的“硬骨头”，在仅利用纳米抗体与MPC结合的情况下制备冷冻电镜样品，通过复杂的计算分析过程成功捕捉到MPC在丙酮酸转运过程中不同构象下的高分辨率冷冻电镜三维结构，揭开了它的神秘面纱。
03
看见！如此“搬运”，如此“抑制”
他们“看见”了什么？
他们看见了MPC最初的样子——它由两个亚基MPC1和MPC2组成，两个亚基的跨膜螺旋分别以1-3-2三次跨膜的形式进行排布，在跨膜区形成一个伪二次对称的结构（图2）。
图2. MPC的整体结构（朝向线粒体外开放构象）
他们发现，无论MPC在“燃料运输”的哪个阶段，心磷脂（cardiolipin）始终都“在场”。它可能是MPC复合物的常规组成部分，并且起到了重要的结构性作用。
但更重要的是，他们看到MPC完整运输丙酮酸的全过程。
专业的表述很晦涩，简单来讲，这不是“一脚跨过门槛”那么轻松，而是“交替开放”（图3）：MPC就像一条通道，两端各有两扇门，如果把朝向线粒体外部的“门”称为外门，朝向内部的称为“内门”，那么，在运输过程中，MPC的“外门”先打开，让丙酮酸从细胞质进入MPC内部“通道”，然后“外门”关闭，“内门”再打开，丙酮酸被释放到线粒体内部。其中，研究团队还找到了一个关键的“口袋”和“口袋”上关键的氨基酸——MPC就是通过这个部位与丙酮酸结合并带它“通行”。
图3. 丙酮酸转运过程中MPC的整体构象变化
再往前走，更惊喜的发现来了。
业界已知UK5099可以抑制 MPC的功能，研究团队对其“为何能抑制MPC”的机制进行了探究，然后由卢培龙带领其团队博士生模拟其他6种已知抑制剂分子与MPC的结合（图4）。结果发现，所有抑制剂的作用方式都与UK5099类似，都能以同样的形式与MPC结合。在马丹看来，这种抑制剂分子结构上以及与MPC结合方式上的“共性”，是MPC 的“王炸”特点，它意味着我们可以在寻找MPC抑制分子的时候锁定关键特征，缩小筛选范围，进而实现对相关疾病的治疗。
图4. MPC与不同抑制剂分子的结合（灰色透明部分代表UK5099结合口袋）
至此，我们可以为这一场攻坚战划上一个阶段性的句点——
这支联合研究团队，通过单颗粒冷冻电镜技术解析了MPC处于朝向线粒体外开放、闭合及朝向线粒体内开放三种构象状态的高分辨率三维结构，完整揭示了MPC介导丙酮酸跨膜运输到线粒体内部的“交替开放”模型。
他们还破解了经典抑制剂UK5099与MPC的识别与结合模式，并由此模拟和推断出不同抑制剂分子抑制MPC活性的通用方式，对以MPC为对象开发特定代谢依赖性癌症、糖尿病等代谢紊乱相关疾病的靶向药物具有重大指导意义。
未来，马丹实验室与MPC的“纠缠”还将继续。
他们将进一步探索MPC在功能上的意义，以及 MPC 作为治疗靶点的潜力。 比如，MPC的活性和其他代谢通路有怎样 的调控关系？ 根据目前的结构模型能不能筛选、设计、优化抑制剂，找到适合成药的小分子？ 能否设计更精准的“分子扳手”，让代谢失控的细胞回归正常？
无法预测，我们何时才能完全解答这些疑问，但相信一切的努力，终将得到回响。
该项研究工作受到国家重点研发计划、浙江省“尖兵领雁+X“研发攻关计划以及杭州市西湖教育基金会的支持。
马丹实验室主要通过生物物理、生物化学、细胞生物学等方法研究生理与病理条件下的细胞代谢调控机制。如有兴趣加入团队，请将简历发至以下邮箱：madan@westlake.edu.cn
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