转运蛋白SLC19A1，更广为人知的是还原叶酸载体，存在于细胞膜中。它已经被研究了几十年，因为它是B9维生素（称为叶酸）的主要组织转运蛋白，叶酸是制造某些类型的核苷酸和使氨基酸残基丝氨酸和蛋氨酸所需的反应所必需的。SLC19A1恰好也是甲氨蝶呤和培美曲塞药物的主要转运蛋白，这些药物称为抗叶酸，因为它们阻断叶酸的作用。这些药物用于治疗癌症、类风湿性关节炎和牛皮癣。

2019年，SLC19A1被确定为称为环二核苷酸（CDN）的信号分子的转运蛋白，其刺激广泛的免疫系统细胞反应。尽管广泛的生化和分子研究涉及SLC19A1转运叶酸的结构和功能决定因素，但各种SLC19A1底物结合及其通过转运蛋白从细胞外移动到细胞质的详细分子基础在很大程度上尚未探索。《自然》杂志，张等.和赖特等（在九月发表的一项研究中）对此有所了解。

这些研究使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）来确定人类SLC19A1的分子结构，没有结合伴侣（以蛋白质的apo形式）和结合的叶酸，抗叶酸盐或CDN（图1）。在这两份报告中，SLC19A1假设了一种结构，具有12个跨膜段，以“向内”的方向开口到细胞质上 - 膜跨越片段围绕带正电荷的底物结合口袋，该口袋由进化上保守的氨基酸残基衬里。

图1 |SLC19A1蛋白的结构见解。张等.4以及赖特等人今年的一项研究。5报告冷冻电子显微镜数据，揭示该转运蛋白如何与其底物结合的详细信息。a，SLC19A1转运称为环二核苷酸（CDN）的分子，这些分子驱动炎症防御反应。这些反应由蛋白质STING以及称为细胞因子和蛋白质干扰素（IFN）的分子介导。张等.报告CDN成对存在于靠近膜细胞质侧的转运蛋白中。b，称为叶酸的分子，是制造核苷酸和氨基酸的某些细胞构建块所必需的，通过SLC19A1进入细胞 - 抗癌药物，称为抗叶酸，阻断叶酸作用。Zhang和Wright及其各自的同事报告说，叶酸和抗叶酸盐与SLC19A1的中心部分结合（该结合位点与CDN的结合位点不同）。这种结构信息可能为改进的抗癌或免疫治疗的设计铺平道路。

在哺乳动物细胞中，CDN是危险的突出信号，由称为STING的免疫系统传感器蛋白识别，该蛋白位于称为内质网的细胞器中的细胞中。STING激活产生信号级联反应，导致称为I型干扰素的蛋白质浓度升高，以及称为细胞因子的各种信号分子的浓度升高。哺乳动物细胞（包括肿瘤细胞）产生CDN分子2'，3'-cGAMP作为对双链DNA异常存在的反应，并且这种CDN的产生由cGAS酶催化。其他CDN，如3'，3'-cGAMP，可由细菌产生。

鉴于cGAS和STING信号在抗癌防御反应中的作用，人们对STING激活药物（STING激动剂）作为癌症治疗药物的兴趣激增;这些药物包括那些模仿2'，3'-cGAMP的药物。在动物研究中，药物诱导的STING激活驱动由称为T细胞的免疫细胞激活介导的增强免疫反应;这会抑制肿瘤生长.天然和合成的STING激动剂已经过临床测试，是安全的。然而，它们仅显示出适度的治疗活性。因此，需要更有效和选择性的CDN，以改善肿瘤的递送。这可以增强对当前免疫疗法的反应，包括STING激动剂。

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为了使CDN发挥免疫调节剂的作用，它们必须穿过细胞膜以激活STING。这是一个挑战，因为CDN带负电，这会阻止它们通过扩散穿过膜。认识到CDN由SLC19A1转运，至少为它们如何进入细胞的难题提供了部分解决方案（其他转运蛋白可能也参与CDN摄取）.然而，与蛋白质运输叶酸底物的能力相比，SLC19A1 对 CDN 的转运较差。考虑到 CDN 和叶酸的不同化学结构，这并不奇怪。

Zhang及其同事的研究最初确定了SLC19A1的结构，其CDN包括2'，3'-cGAMP，细菌CDN 3'，3'-环二AMP和合成的2'，3'-二磷酸硫代酸环二AMP。令人惊讶的是，鉴于人们可能会期望单个分子与其转运蛋白结合的典型情况，Zhang等人。报告所有这些 CDN 作为组织良好、紧密包装的 CDN 对（二聚体）与 SLC19A1 绑定。这种结合位于一个共同的结合位点，并通过包括堆叠、氢键和电荷相互作用在内的过程发生，尽管各个CDN的构象不同。发现锥形底物结合腔从SLC19A1的细胞内表面延伸到转运蛋白的细胞外侧。CDN结合在转运蛋白较宽的细胞内入口中，延伸到跨膜区域的中间。

SLC19A1的现有结构与5-甲基四氢叶酸（体内发现的主要叶酸形式）和培美曲塞结合 - 两者都以单分子（单体）的形式与SLC19A1结合，附着在结合口袋的独特区域，该区域仅与CDN的结合口袋略有重叠。为了扩展他们的研究，Zhang及其同事进行了分子动力学模拟和功能测试，探索了不同版本的SLC19A1蛋白，这些蛋白具有影响某些氨基酸的靶向突变。因此，作者确定了SLC19A1对CDN和叶酸底物的转运选择性的关键决定因素，并确定了SLC19A1识别底物的关键特征。

正如预期的那样，与叶酸结合相比，单个突变对CDN结合的影响并不完全相同。抗叶酸结合的主要决定因素由Zhang等人鉴定。在很大程度上同意赖特及其同事的观点。后者先前以apo形式描述了SLC19A1的冷冻电镜结构，并用甲氨蝶呤处理，该版本旨在与SLC19A1的特定氨基酸（赖氨酸-411）共价结合。

这两份研究报告都非常出色，因为它们提供了丰富的结构、功能和计算数据，以及它们对SLC19A1基底识别和运输的丰富见解。也就是说，建立底物传输的详细机制将需要询问与底物结合的替代SLC19A1构象。事实上，鉴于培美曲塞和5-甲基四氢叶酸与CDNs相比具有不同的结合姿势，如果SLC19A1转运二聚体CDN，则其机制可能与用于叶酸底物的机制不同。

对于叶酸和反叶酸底物，这两份报告提供了SLC19A1活性丧失和疾病相关突变后果的机制见解。这项工作还提供了与甲氨蝶呤治疗后人类肿瘤中发现的治疗失败相关的SLC19A1突变的机制解释，以及在实验室中生长的抗叶酸耐药肿瘤细胞系中。此外，这些研究还提供了对氨基酸残基的见解，这些残基以前被认为在结构和功能上很重要。这一结论部分来自SLC19A1研究，该研究探索了不同物种中蛋白质之间的相似性（同源性研究），部分来自从蛋白质突变版本收集的证据。

这两份报告共同指出，SLC19A1除了在运输叶酸和抗叶酸方面的既定作用外，还在免疫系统功能和抗癌免疫学中具有关键作用。这些发现的潜在应用包括使用新的SLC19A1结构来设计具有更高特异性和效力的下一代CDN，以及更新的抗叶酸药物来治疗各种癌症和自身免疫性疾病。关于后者，SLC19A1是组织中两种主要的叶酸转运蛋白之一;另一种是SLC46A1，被称为质子偶联叶酸转运蛋白8.SLC46A1是肠道吸收膳食叶酸所必需的，并且在肿瘤微环境的酸性pH值下是人类肿瘤中叶酸的关键转运蛋白.特别感兴趣的是发现新的SLC46A1特异性抗叶酸盐，与甲氨蝶呤等抗叶酸酯相比，SLC19A1转运有限，肿瘤选择性更高.当与SLC46A1的冷冻电镜结构结合时，其载脂和培美曲塞结合形式，SLC19A1结构为设计新一代更具选择性的癌症疗法奠定了基础，基于SLC46A1而不是SLC19A1的优先运输。