2024年04月26日，中国科学技术大学生命科学与医学部孙林峰教授团队在Science Advances杂志上发表了题为“Structural insights into the calcium-coupled zinc export of human ZnT1”的研究论文。首次报道了人体ZnT1蛋白的三维结构，并结合功能实验阐释了该蛋白的工作机制，为锌离子跨膜运输和稳态维持过程的研究奠定了重要基础。
锌是人体必需的微量金属元素，在诸多生命过程中发挥重要作用。锌离子稳态失调会导致多种疾病，如糖尿病、癌症、炎症等。此外，锌离子还参与调节神经系统兴奋和抑制性神经递质的突触传递，其稳态失调与许多慢性神经退行性疾病和急性神经损伤的发生发展密切相关。锌离子稳态受到运输过程的严格调控，主要由两类转运蛋白家族参与：ZIP（Zrt- and Irt-like protein family）和ZnT（Zinc transporter ZnT family）。二者作用相反，ZIP负责将锌离子从细胞外或细胞器内运输到细胞质，ZnT则将锌离子从细胞质运输到细胞外或细胞器中。ZnT1蛋白是ZnT家族中第一个被鉴定成员，主要在质膜上发挥锌离子外排作用。
团队针对人体ZnT1蛋白展开研究，首先构建了基于HEK293T细胞的锌离子转运体系。研究发现，不同于其他ZnT家族成员需要借助质子梯度进行锌离子运输，ZnT1蛋白在没有质子梯度的情况下也可以转运锌离子。通过改变细胞外的钙离子浓度，发现ZnT1的锌离子运输过程依赖胞外钙离子的存在。同时，团队建立了基于脂质体的转运体系，进一步证实，人体ZnT1蛋白的锌离子运输依赖于跨膜钙离子浓度梯度。借助利用冷冻电镜单颗粒重构技术，团队成功解析了人体ZnT1蛋白的三维结构。该蛋白以二聚体方式组装，呈现向细胞质侧开放的构象，且与其他同源蛋白结构不同，ZnT1具有较明显的胞外结构域，并参与了运输调控。结合结构信息和转运实验结果，团队鉴定了参与锌离子结合和运输过程的关键结构位点，并提出了ZnT1运输锌离子和钙离子的分子模型。
综上，这项研究成果揭示了人体ZnT1蛋白的结构，并系统阐释了其独特的锌离子与钙离子耦联运输的分子机制，为进一步理解锌离子稳态维持和相关人类疾病研究提供了重要帮助。
中国科学技术大学生命科学与医学部博士研究生孙春巧、何帮国为该论文共同第一作者，中国科学技术大学生命科学与医学部王兴兵教授、刘欣副教授和孙林峰教授为共同通讯作者。中国科学技术大学生命科学与医学部仓春蕾教授、刘连新教授，以及中科大冷冻电镜中心高永翔博士等均给予了重要的帮助。该工作得到了国家重点研发计划项目、中央高校基础科研业务费专项资金及中国科学技术大学统筹推进世界一流大学和一流学科建设专项资金等项目的资助，以及教育部无膜细胞器与细胞动力学重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心、生物医学与健康安徽省实验室的大力支持。
（文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk5128）
图1.人体ZnT1蛋白介导Zn2+/Ca2+交换的模型