作者：徐冰红编辑：张华 殷启超来源：生命科学学院
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叶升/徐冰红/王亚鑫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。
图3 Mebendazole通过靶向OCTN1抑制癌细胞增殖
团队长期致力于溶质转运蛋白（SLC）超家族的结构‑功能与转化研究，前期围绕单羧酸转运家族MCT系列，解析了MCT2协同转运、伴侣蛋白Embigin调控MCT1/MCT2构象转换的分子机制；解析锌离子转运蛋白hZnT1三维结构，阐释锌离子外排的分子机制。依托上述已解析的多种SLC靶点三维构象开展结构导向药物筛选，发掘出靶向MCT、hZnT1的候选小分子，实现从基础结构解析到肿瘤代谢靶向药物发现的转化研究[3-5]。本篇文章进一步丰富了SLC转运蛋白的结构资源库，揭示了OCTN1介导底物转运的分子基础，完成从“结构解析‑机制阐释‑靶向抑制剂发掘‑体内药效验证”的完整研究链条，也为后续针对SLC家族肿瘤靶点开展老药重定位、抑制剂理性改造提供可复用的研究范式。
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王亚鑫，清华大学娄智勇，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。天津大学医学部生命科学学院为本论文的第一通讯单位，该研究工作获得科技部、中国国家自然科学基金、天津市自然科学基金等经费资助。
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