Kryo-EM enthüllt, wie der Taurin-Transporter funktioniert und sich über Cholesterin dimerisiert

Taurin ist eine der am häufigsten vorkommenden Aminosäuren im menschlichen Körper und ist in erregbaren Geweben wie Gehirn, Netzhaut und Herz konzentriert. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Osmoregulation, Antioxidation, Neurotransmission und dem Alterungsprozess. Da die Taurin-Biosynthese mit dem Alter abnimmt, wird der Taurin-Transporter (TauT, ein Mitglied der SLC6/Neurotransmitter-Natrium-Symporter-Familie) zum primären Mechanismus für die Aufrechterhaltung eines ausreichenden intrazellulären Taurinspiegels. Eine Fehlfunktion von TauT ist mit Netzhautdegeneration, Kardiomyopathie, neurologischen Störungen und metabolischer Dysregulation verbunden, was strukturelle Einblicke in seine Funktionsweise klinisch bedeutsam macht.

Das Forschungsteam exprimierte den vollständigen menschlichen Wild-Typ TauT in HEK293S GnTI⁻-Zellen und reinigte ihn in Detergens-Mizellen (LMNG) oder rekonstituierte ihn in Lipid-Nanodiscs unterschiedlicher Zusammensetzung. Einzelpartikel-Kryo-EM wurde verwendet, um Strukturen in drei funktionellen Zuständen zu lösen: den apo inward-facing open state (3,20 Å) sowie okkludierte Zustände, die an Taurin (3,05 Å) oder GABA (3,26 Å) gebunden sind. Nanodisc-rekonstituierte Proben zeigten zusätzlich sowohl monomere (3,23 Å) als auch homodimere (3,25 Å) Formen von TauT.

Alle Strukturen teilen die kanonische LeuT-Faltung – 12 Transmembranhelices mit einer invertierten pseudo-zweizähligen Symmetrie – die für Mitglieder der SLC6-Familie charakteristisch ist. Die Substrat-Bindungstasche bindet Taurin über spezifische elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen, die sich subtil, aber entscheidend von jenen in GAT1 unterscheiden. Dies erklärt, warum TauT trotz einer Sequenzähnlichkeit von etwa 62 % eine weitaus geringere Affinität für GABA aufweist als dedizierte GABA-Transporter. Die Apo-Struktur erfasst den Transporter in einer inward-open-Konformation, während die Substratbindung den Übergang in einen okkludierten Zustand antreibt, was mit dem alternating-access-Transportmechanismus übereinstimmt.

Ein wesentlicher neuer Befund ist die Cholesterin-vermittelte Homodimerisierung von TauT. Das Dimer – ausschließlich unter Nanodisc-Bedingungen beobachtet, nicht im Detergens – wird durch zwei Cholesterinmoleküle zusammengesetzt, die sich zwischen TM5 eines Protomers und TM7/EL3 des anderen einklemmen und hydrophobe Kontakte mit Resten wie Leu258, Val262, Thr266, Phe338, Phe342 und Leu278 ausbilden. Direkte intermolekulare TM5-TM5-Kontakte (Val262, Leu265) stabilisieren die Grenzfläche zusätzlich. Ladungssubstitutionsmutationen an Val262 und Leu265 hoben die Transportaktivität auf und unterstrichen damit die funktionelle Bedeutung dieser Wechselwirkungen. Die Entfernung von Cholesterin mittels Methyl-beta-Cyclodextrin-Behandlung eliminierte die dimere Population und bestätigte die essentielle Rolle von Cholesterin. Diese TauT-Dimer-Architektur unterscheidet sich vom kürzlich beschriebenen NET-Homodimer, das Cholesterin, PI und PIP2 an einer TM3/4/9/12-Grenzfläche einbezieht.

Diese Erkenntnisse liefern den ersten atomaren Rahmen zum Verständnis der Substratselektivität und des Transportmechanismus von TauT und enthüllen die Cholesterin-abhängige Dimerisierung als potenzielles regulatorisches Merkmal von TauT. Die Strukturdaten legen den Grundstein für das rationale Design von TauT-Modulatoren zur Behandlung von Taurinmangelerkrankungen und könnten dazu beitragen, den altersbedingten Rückgang zu verlangsamen.