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洛克菲勒大学揭示囊性纤维化跨膜传导调节因子

2019-11-14 17:10:54
洛克菲勒大学揭示囊性纤维化跨膜传导调节因子

2019年6月21日,美国科学院院士陈觉(洛克菲勒大学)在Science 在线发表题为“Structural identification of a hotspot on CFTR for potentiation”的研究论文,该研究报告了与两种不同增效剂复合的人CFTR的冷冻电子显微镜(EM)结构:Vertex公司开发的药物ivacaftor和Galapagos开发的研究药物GLPG1837,分辨率分别为3.3埃及3.2埃,并揭示囊性纤维化跨膜传导调节因子与增效剂结合的分子机制。

该研究发现:首先,尽管这两种增效剂在化学上不相似,但它们都与CFTR的跨膜区内的相同位点结合;其次,因为药物结合位点与参与门控的铰链一致,该研究提出“口袋”中药物的存在使孔相对于闭合的开放构型稳定;第三,这里确定的药物结合口袋可能是CFTR增效剂作用的热点。现在可以使用这些结合两种不同增效剂分子的CFTR结构,连同计算,来鉴定新的增效剂。

囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)是在不同器官(包括肺和肠)的上皮表面广泛表达的阴离子通道。它属于ATP结合盒(ABC)转运蛋白的家族,但作为阴离子通道起作用。 CFTR由形成孔的两个跨膜结构域(TMD),结合并水解腺苷5'-三磷酸(ATP)的两个细胞质核苷酸结合结构域(NBD)和必须被磷酸化以允许其的调节(R)结构域组成。已发现300多种突变导致囊性纤维化(CF),最普遍的突变是单个氨基酸F508的缺失,这使得CFTR在到达细胞质膜之前易于降解。其他突变体,如R117H和G551D,在细胞膜上表达,但没有正确的门控作用。

在过去的八十年中,医学进步改善了囊性纤维化的治疗。患者的平均生存年龄从20世纪30年代的早期婴儿期延长至目前的47岁左右。大多数治疗提供症状缓解,包括帮助消化的胰酶补充剂,预防和治疗感染的抗生素,清除气道的粘液稀释药物和肺移植。最近,已经开发出针对CFTR蛋白的疗法。小分子CFTR调节剂包括增加细胞表面CFTR丰度的校正剂和增加突变CFTR离子通量的增效剂。目前,由Vertex制药公司开发的两种校正药物(lumacaftor和tezacaftor)和一种增效剂(ivacaftor)可供患者使用。此外,许多其他增强CFTR功能的候选者都在药物发现渠道中。所有这些CFTR调节剂都是通过强化高通量筛选和迭代药物化学优化发现的。由于缺乏结构信息,合理的药物发现是不可行的。为了解决这个问题,该研究在这里报告了与两种不同增效剂复合的人CFTR的冷冻电子显微镜(EM)结构:Vertex公司开发的药物ivacaftor和Galapagos开发的研究药物GLPG1837,分辨率分别为3.3埃及3.2埃。

Ivacaftor结合膜内的CFTR

通过筛选增加G551D-CFTR表达细胞中阴离子通量的化合物发现了Ivacaftor。随后的研究表明,ivacaftor增加了膜片,蛋白脂质体和平面脂质双层中野生型(WT)和突变型CFTR的开放概率(Po)。 ivacaftor的增强需要蛋白激酶A(PKA)磷酸化CFTR,但不依赖于ATP。这些结果表明,ivacaftor直接作用于CFTR,而不是通过其他调节机制起作用。

不同的氨基酸残基对ivacaftor结合的贡献

这两种药物虽然在化学上不相似,但与跨膜区域内的相同位点结合。 诱变表明,在两种情况下,蛋白质提供的氢键对于药物识别是重要的。 ivacaftor和GLPG1837如何与CFTR相互作用的分子细节可以促进治疗化合物的基于结构的优化。

GLPG1837与ivacaftor结合于同一位点

总而言之,该研究描述了具有两个独立增效剂的CFTR的结构。这些结构可以得出了几个结论:首先,尽管这两种增效剂在化学上不相似,但它们都与CFTR的跨膜区内的相同位点结合。这解释了为什么ivacaftor和GLPG1837在电生理学和结合分析中具有竞争力;其次,因为药物结合位点与参与门控的铰链一致,该研究提出“口袋”中药物的存在使孔相对于闭合的开放构型稳定;第三,这里确定的药物结合口袋可能是CFTR增效剂作用的热点。现在可以使用这些结合两种不同增效剂分子的CFTR结构,连同计算,来鉴定新的增效剂。

研究背景

囊性纤维化是由囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)突变引起的致命疾病。在过去的八十年中,医学进步改善了囊性纤维化的治疗。患者的平均生存年龄从20世纪30年代的早期婴儿期延长至目前的47岁左右。大多数治疗提供症状缓解,包括帮助消化的胰酶补充剂,预防和治疗感染的抗生素,清除气道的粘液稀释药物和肺移植。最近,已经开发出针对CFTR蛋白的疗法。小分子CFTR调节剂包括增加细胞表面CFTR丰度的校正剂和增加突变CFTR离子通量的增效剂。目前,由Vertex制药公司开发的两种校正药物(lumacaftor和tezacaftor)和一种增效剂(ivacaftor)可供患者使用。由于缺乏结构信息,合理的药物发现是不可行的。

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