Abstract Glutamate is a pivotal excitatory neurotransmitter in mammalian brains, but excessive glutamate causes numerous neural disorders. Almost all extracellular glutamate is retrieved by the glial transporter, Excitatory Amino Acid Transporter 2 (EAAT2), belonging to the SLC1A family. However, in some cancers, EAAT2 expression is enhanced and causes resistance to therapies by metabolic disturbance. Despite its crucial roles, the detailed structural information about EAAT2 has not been available. Here, we report cryo-EM structures of human EAAT2 in substrate-free and selective inhibitor WAY213613-bound states. EAAT2 forms a trimer, with each protomer consisting of transport and scaffold domains. Along with a glutamate-binding site, the transport domain possesses a cavity, that could be disrupted during the transport cycle. WAY213613 occupies both the glutamate-binding site and cavity of EAAT2 to interfere with its alternating access, where the sensitivity is defined by the inner environment of the cavity. This is the first characterization of molecular features of EAAT2 and the selective inhibition mechanism, underlying structure-based drug design for EAAT2.

LAT1 (SLC7A5) transports large neutral amino acids and their derivatives across the plasma membrane and plays pivotal roles in cancer cell proliferation, immune response and drug delivery across the blood-brain barrier. Despite recent advances in structural understanding of LAT1, how it discriminates substrates and inhibitors including the clinically relevant anticancer drugs remains elusive. Here we report six structures of LAT1, captured in three different conformations and bound with diverse bioactive ligands, elucidating its substrate transport and inhibitory mechanisms. JPH203, also known as nanvuranlat or KYT-0353 and currently in clinical trials as an anticancer drug, binds to the wide-open substrate-binding pocket of LAT1. It adopts a U-shaped conformer, with its amino-phenylbenzoxazol moiety pushing against transmembrane helix 3 (TM3), bending TM10 and arresting the transporter in the outward-facing conformation. In contrast, the physiological substrate L-Phe does not exhibit such inhibitory interactions, whereas melphalan, a slow substrate, poses steric hindrance in the pocket, explaining its inhibitory activity. Unexpectedly, the "classical" system L inhibitor BCH induces an occluded state, a key structural intermediate required for substrate transport. Trans stimulation assays show that BCH facilitates transporter turnover and is therefore a transportable substrate. These findings provide a structural framework for the intricate mechanisms of substrate recognition and inhibition of LAT1, paving the way for developing more specific and effective drugs against it.

The L-type amino acid transporter 1 (LAT1) transports large neutral amino acids and drugs across the plasma membrane and is crucial for nutrient uptake, brain drug delivery and tumor growth. LAT1 is a unique solute carrier that forms a disulfide-linked heterodimer with the cell-surface glycoprotein CD98 heavy chain (CD98hc), but the mechanisms of its molecular assembly and amino acid transport are poorly understood. Here we report the cryo-EM structure of the human LAT1-CD98hc heterodimer at 3.4 Å resolution, revealing the hitherto unprecedented architecture of a solute carrier-glycoprotein heterocomplex. LAT1 features a canonical LeuT-fold while exhibiting an unusual loop structure on transmembrane helix 6, creating an extended cavity to accommodate bulky hydrophobic amino acids and drugs. CD98hc engages with LAT1 through multiple interactions, not only in the extracellular and transmembrane domains but also in the interdomain linker. The heterodimer interface features multiple sterol molecules, corroborating previous biochemical data on the role of cholesterols in heterodimer stabilization. We also visualized the binding modes of two anti-CD98 antibodies and show that they recognize distinct, multiple epitopes on CD98hc but not its glycans, explaining their robust reactivities despite the glycan heterogeneity. Furthermore, we mapped disease-causing mutations onto the structure and homology models, which rationalized some of the phenotypes of SLC3- and SLC7-related congenital disorders. Together, these results shed light on the principles of the structural assembly between a glycoprotein and a solute carrier, and provide a template for improving preclinical drugs and therapeutic antibodies targeting LAT1 and CD98.