囊性纖維化，一種遺傳性外分泌腺疾病，是由編碼囊性纖維化跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）的基因發(fā)生突變，導(dǎo)致CFTR蛋白缺陷或缺失引起的。
CFTR蛋白作為一種跨膜通道，有助于調(diào)控液體運(yùn)輸和粘液濃度，它通過(guò)控制Cl-和HCO3-等單價(jià)陰離子在細(xì)胞內(nèi)外的流動(dòng)來(lái)維持表皮細(xì)胞內(nèi)外離子和水分的代謝平衡。
囊性纖維化廣泛影響多種器官和系統(tǒng)的功能，包括呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)等。其最普遍的癥狀是由于水分和離子代謝失調(diào)所導(dǎo)致的各種管腔中的黏液積累，比如，胰 腺中黏液積累會(huì)引起消化液分泌障礙，更嚴(yán)重的是，肺部的粘液積累會(huì)誘發(fā)細(xì)菌感染和呼吸衰竭。
這種疾病最常見(jiàn)于高加索人，平均每3000個(gè)新生兒中有1人患病。隨著診療手段的提高，現(xiàn)中國(guó)的確診病例數(shù)較之前明顯上升。
目前對(duì)囊性纖維化的治療旨在使用CFTR矯正劑（通過(guò)促進(jìn)CFTR成熟以及蛋白質(zhì)向細(xì)胞膜運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程來(lái)修復(fù)CFTR缺陷蛋白的加工）或CFTR增效劑（通過(guò)活化的CFTR離子通道，增強(qiáng)離子電流）來(lái)恢復(fù)CFTR蛋白功能。
首個(gè)被FDA批準(zhǔn)上市的小分子增效劑Ivacaftor由Vertex制藥公司研發(fā)生產(chǎn)，它對(duì)30多個(gè)CFTR蛋白的致病突變皆有治療效果。另一個(gè)由Galapagos公司研發(fā)的增效劑GLPG1837，目前正在臨床研究階段。
然而，所有這些CFTR調(diào)節(jié)劑都是通過(guò)高通量篩選和反復(fù)的藥物化學(xué)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)的。由于缺乏結(jié)構(gòu)信息，合理的藥物開(kāi)發(fā)難以實(shí)現(xiàn)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，6月21日，洛克菲勒大學(xué)陳鈺教授研究團(tuán)隊(duì)在Science上報(bào)道了Ivacaftor、GLPG1837與CFTR蛋白復(fù)合物在離子通道預(yù)開(kāi)放狀態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（3.3?），清晰地展示了這兩個(gè)增效劑在CFTR蛋白上的結(jié)合位點(diǎn)，從而揭示CFTR蛋白上的精確靶點(diǎn)，以指導(dǎo)下一代藥物的研發(fā)。
首先，在對(duì)Ivacaftor與CFTR蛋白之間特殊分子相互作用的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)Ivacaftor結(jié)合在CFTR蛋白和細(xì)胞膜之間，與跨膜螺旋TM4、TM5和TM8形成的裂縫對(duì)接，結(jié)合位點(diǎn)與TM8的鉸鏈區(qū)重合。
Ivacaftor結(jié)合在CFTR蛋白和細(xì)胞膜之間。(A) CFTR蛋白結(jié)合Ivacaftor (品紅色)的總體結(jié)構(gòu)。TMD:跨膜結(jié)構(gòu)域，NBD：核苷酸結(jié)合域；(C、D) Ivacaftor結(jié)合部位放大圖。Ivacaftor將其一半的表面暴露于磷脂雙分子層。TM8被表示為圓柱狀。
值得注意的是，為了適應(yīng)細(xì)胞膜的疏水環(huán)境，大多數(shù)膜蛋白往往利用連續(xù)的跨膜α螺旋實(shí)現(xiàn)跨膜定位。這是因?yàn)?alpha;螺旋可以將氨基酸殘基疏水表面暴露出來(lái)的同時(shí)隱藏其具有親水特性的區(qū)域，從而維持膜蛋白在磷脂雙分子層疏水環(huán)境中的能量狀態(tài)。
陳玨教授團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，TM8這種非連續(xù)的跨膜α螺旋結(jié)構(gòu)雖然降低了其在細(xì)胞膜中的穩(wěn)定性，但是隨之產(chǎn)生的柔性和暴露的親水基團(tuán)，很可能是CFTR蛋白發(fā)揮離子通道功能所必需的，這也是它在不同功能狀態(tài)下能夠產(chǎn)生巨大的構(gòu)象變化從而調(diào)控離子通道開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
由此，他們推測(cè)Ivacaftor的結(jié)合位點(diǎn)可通過(guò)穩(wěn)定TM8在離子通道開(kāi)放狀態(tài)下的構(gòu)象，起到延長(zhǎng)CFTR蛋白開(kāi)放時(shí)間的作用。
接下來(lái)，為了驗(yàn)證該結(jié)合位點(diǎn)的保守性，研究人員進(jìn)一步解析了CFTR蛋白與另一種增效劑GLPG1837的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。有趣的是，雖然GLPG1837的分子結(jié)構(gòu)與Ivacaftor并不相似，但其在CFTR蛋白上的結(jié)合位點(diǎn)卻與Ivacaftor完全一致（盡管方向和形狀不同）。
增效劑與CFTR蛋白結(jié)合位點(diǎn)示意圖。無(wú)增效劑（左），與Ivacaftor結(jié)合（中），與GLPG1837結(jié)合（右）。
最后，研究人員將CFTR蛋白上參與增強(qiáng)劑結(jié)合的重要氨基酸殘基進(jìn)行了定點(diǎn)突變并分析了這些氨基酸殘基在兩種小分子藥物結(jié)合中的作用。
陳鈺教授說(shuō)：“這些化合物由兩家不同的公司開(kāi)發(fā)，具有非常不同的化學(xué)性質(zhì)，但它們?cè)O(shè)法進(jìn)入同一個(gè)位點(diǎn)。這告訴我們，這是一個(gè)十分敏感、重要的蛋白質(zhì)區(qū)域。”
由此可見(jiàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)的這一結(jié)合位點(diǎn)很可能是一個(gè)針對(duì)CFTR蛋白藥物的普遍靶點(diǎn)。
有了這些數(shù)據(jù)，研究人員希望能夠制造出在保持離子通道開(kāi)放方面表現(xiàn)更好的，直接靶向鉸鏈區(qū)的化合物。
當(dāng)陳鈺教授及其同事致力于開(kāi)發(fā)新藥時(shí)，她鼓勵(lì)其他研究人員也這樣做。 “我們把原始數(shù)據(jù)放到網(wǎng)上，歡迎任何人使用，” 陳鈺教授說(shuō)，“因?yàn)槿绻褂盟鼈兊难芯咳藛T越多，可用的治療選擇就越多，由此，價(jià)格將下降，更多的人將得到幫助。”
感謝陳玨教授團(tuán)隊(duì)分享他們的研究成果。囊性纖維化患者的中位死亡年齡在20歲左右，希望在科學(xué)家們共同努力下，這些患者能早日迎來(lái)更有效的藥物，迎接生命的曙光。
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