糖类代谢在新陈代谢等生命活动中具有关键作用,其中又以葡萄糖代谢最为重要。糖类进入细胞必须通过细胞膜上的糖转运蛋白。对葡萄糖来说,人体中有两类转运蛋白,与多种生理病理活动息息相关。本文选择其中一类GLUT家族蛋白作为研究对象,借助其原核同源蛋白Xyl E来考察。Xyl E源自大肠杆菌,是底物专一的木糖:质子同向转运蛋白,与I型GLUT家族成员有接近50%的一级序列相似度。葡萄糖可以抑制Xyl E的转运功能,不能被Xyl E转运;I型GLUT家族成员转运底物则不像Xyl E一样需要质子参与。因此Xyl E的转运机理仍然和I型GLUT家族成员存在一定差异。为了深入理解这类糖转运蛋白的机理,我们以X射线晶体学的手段,解析得到了Xyl E分别与底物木糖、底物类似物葡萄糖及人工合成的葡萄糖溴代衍生物结合的结构,分辨率分别为2.8?、2.9?和2.6?。这三个Xyl E结构呈现出经典的12次跨膜α螺旋MFS折叠方式,但在胞内区域多出一个四α螺旋的结构域,且具有向细胞外侧开放、部分封闭的全新构象,完善了该家族结构研究的未知信息。通过结构分析及生化实验验证,鉴别出了Xyl E在转运过程中识别底物的关键氨基酸残基。借助计算机软件同源建模的手段,建立人源GLUT1的三维蛋白结构模型。在该同源结构模型中,成功定位了一些I型GLUT家族成员疾病相关的突变残基,初步适用于致病机理研究。另外通过Xyl E和I型GLUT家族成员的序列比对分析,结合生化实验,进一步鉴定出Xyl E中第27位的天冬氨酸对于转运过程中质子耦联的调控作用。同样根据序列比对分析设计氨基酸突变,能改变Xyl E对底物的选择特异性,使其一定程度上具备转运葡萄糖的能力。以上研究开启了理解糖转运蛋白转运机制的新篇章,扩充了对MFS超家族蛋白的普遍认识,也为后续直接研究GLUT家族打下坚实基础。