华人学者Science发表重要成果，为囊性纤维化治疗打开新大门
囊性纤维化，一种遗传性外分泌腺疾病，是由编码囊性纤维化跨膜电导调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）的基因发生突变，导致CFTR蛋白缺陷或缺失引起的。
CFTR蛋白作为一种跨膜通道，有助于调控液体运输和粘液浓度，它通过控制Cl-和HCO3-等单价阴离子在细胞内外的流动来维持表皮细胞内外离子和水分的代谢平衡。
囊性纤维化广泛影响多种器官和系统的功能，包括呼吸系统、消化系统以及生殖系统等。其最普遍的症状是由于水分和离子代谢失调所导致的各种管腔中的黏液积累，比如，胰腺中黏液积累会引起消化液分泌障碍，更严重的是，肺部的粘液积累会诱发细菌感染和呼吸衰竭。
这种疾病最常见于高加索人，平均每3000个新生儿中有1人患病。随着诊疗手段的提高，现中国的确诊病例数较之前明显上升。
目前对囊性纤维化的治疗旨在使用CFTR矫正剂（通过促进CFTR成熟以及蛋白质向细胞膜运输的过程来修复CFTR缺陷蛋白的加工）或CFTR增效剂（通过活化的CFTR离子通道，增强离子电流）来恢复CFTR蛋白功能。
首个被FDA批准上市的小分子增效剂Ivacaftor由Vertex制药公司研发生产，它对30多个CFTR蛋白的致病突变皆有治疗效果。另一个由Galapagos公司研发的增效剂GLPG1837，目前正在临床研究阶段。
然而，所有这些CFTR调节剂都是通过高通量筛选和反复的药物化学优化发现的。由于缺乏结构信息，合理的药物开发难以实现。
为了解决这个问题，6月21日，洛克菲勒大学陈钰教授研究团队在Science上报道了Ivacaftor、GLPG1837与CFTR蛋白复合物在离子通道预开放状态下的高分辨率冷冻电镜结构（3.3Å），清晰地展示了这两个增效剂在CFTR蛋白上的结合位点，从而揭示CFTR蛋白上的精确靶点，以指导下一代药物的研发[1]。
图片来源：Science
首先，在对Ivacaftor与CFTR蛋白之间特殊分子相互作用的研究中，研究人员发现Ivacaftor结合在CFTR蛋白和细胞膜之间，与跨膜螺旋TM4、TM5和TM8形成的裂缝对接，结合位点与TM8的铰链区重合。
Ivacaftor结合在CFTR蛋白和细胞膜之间。(A) CFTR蛋白结合Ivacaftor (品红色)的总体结构。TMD:跨膜结构域，NBD：核苷酸结合域；(C、D) Ivacaftor结合部位放大图。Ivacaftor将其一半的表面暴露于磷脂双分子层。TM8被表示为圆柱状。图片来源：Science
值得注意的是，为了适应细胞膜的疏水环境，大多数膜蛋白往往利用连续的跨膜α螺旋实现跨膜定位。这是因为α螺旋可以将氨基酸残基疏水表面暴露出来的同时隐藏其具有亲水特性的区域，从而维持膜蛋白在磷脂双分子层疏水环境中的能量最低状态。
陈珏教授团队认为，TM8这种非连续的跨膜α螺旋结构虽然降低了其在细胞膜中的稳定性，但是随之产生的柔性和暴露的亲水基团，很可能是CFTR蛋白发挥离子通道功能所必需的，这也是它在不同功能状态下能够产生巨大的构象变化从而调控离子通道开关的结构基础。
由此，他们推测Ivacaftor的结合位点可通过稳定TM8在离子通道开放状态下的构象，起到延长CFTR蛋白开放时间的作用。
接下来，为了验证该结合位点的保守性，研究人员进一步解析了CFTR蛋白与另一种增效剂GLPG1837的复合物结构。有趣的是，虽然GLPG1837的分子结构与Ivacaftor并不相似，但其在CFTR蛋白上的结合位点却与Ivacaftor完全一致（尽管方向和形状不同）。
增效剂与CFTR蛋白结合位点示意图。无增效剂（左），与Ivacaftor结合（中），与GLPG1837结合（右）。图片来源：Science
最后，研究人员将CFTR蛋白上参与增强剂结合的重要氨基酸残基进行了定点突变并分析了这些氨基酸残基在两种小分子药物结合中的作用。
Ivacaftor（品红色）（A）、GLPG1837（橙色）（B）与CFTR蛋白相互作用示意图。黑色虚线表示氢键，辐条表示疏水作用，垂直线表示芳香族相互作用。图片来源：Science
陈钰教授说：“这些化合物由两家不同的公司开发，具有非常不同的化学性质，但它们设法进入同一个位点。这告诉我们，这是一个十分敏感、重要的蛋白质区域。”
由此可见，研究人员发现的这一结合位点很可能是一个针对CFTR蛋白药物的普遍靶点。
有了这些数据，研究人员希望能够制造出在保持离子通道开放方面表现更好的，直接靶向铰链区的化合物。
当陈钰教授及其同事致力于开发新药时，她鼓励其他研究人员也这样做。 “我们把原始数据放到网上，欢迎任何人使用，” 陈钰教授说，“因为如果使用它们的研究人员越多，可用的治疗选择就越多，由此，价格将下降，更多的人将得到帮助。”
感谢陈珏教授团队分享他们的研究成果。囊性纤维化患者的中位死亡年龄在20岁左右，希望在科学家们共同努力下，这些患者能早日迎来更有效的药物，迎接生命的曙光。
小结
领域：囊性纤维化
杂志：Science
亮点：洛克菲勒大学陈钰课题组利用冷冻电镜技术，清晰地展示了增效剂Ivacaftor及GLPG1837在CFTR蛋白上的结合位点，并发现了一个铰链样的蛋白质区域，可能作为一个重要的药物作用靶点。该研究为后续的囊性纤维化药物设计和研发提供重要的理论依据和指导。
相关论文：
[1] Fangyu Liu, et al. Structural identification of a hotspot on CFTR for potentiation. Science (2019).
参考资料：
1# Hinge-like protein may open new doors in cystic fibrosis treatment
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