细胞:新的研究揭示了治疗囊性纤维化的矫正药物的机制

2022年1月9日/Bion/-突变的囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)导致一种称为囊性纤维化的性疾病，损害肺部。现在，在一项新的研究中，美国洛克菲勒大学的研究人员已经弄清楚了这种蛋白质的结构，以及一些药物是如何与它结合的，从而揭示了这些药物的作用模式。相关研究成果发表在2022年1月6日的《细胞》杂志上，标题为“I型折叠矫正器矫正CFTR的机制”。

就在十几年前，在现代医学的一次伟大进步中，来自奥罗拉生物科学公司(以下简称奥罗拉公司)和后来的顶点制药公司(以下简称顶点公司)的研究人员大海捞针，发现了一种可以治疗囊性纤维化的小分子药物。

Vertex的首个药物ivacaftor于2012年获批，其他药物相继问世，大大提高了囊性纤维化患者的生存年龄和生活质量。这些药物可以改善肺功能，让患者呼吸更顺畅。科学家们知道，这些药物以某种方式调整或纠正了导致这种疾病的错误蛋白质，但它们是如何工作的仍不得而知。

现在，在这项新的研究中，洛克菲勒大学的陈珏博士和他的研究团队发现了这种突变蛋白质的结构，以及所谓的矫正药物是如何与它相互作用的，从而揭示了这些分子是如何工作的。她的团队报告说，他们在这种有缺陷的蛋白质的生物生成过程中与其结合，并使其保持稳定，从而使其有更好的机会成功到达细胞表面。

约翰霍普金斯大学医学院医学科学家Garry Cutting表示，尽管许多科学家在了解这些药物的作用机制方面取得了进展，但陈的新研究“是一个实质性的贡献——是这一领域的突破”。

陈说：“令人满意的是，虽然这些药物是通过经验发现的，但它们是通过基本的热力学原理工作的，而热力学原理是蛋白质稳定的基础。我也希望这些数据能够指导新疗法的开发，帮助那些对当前疗法没有反应的人。”

害群之马

作为一种性疾病，囊性纤维化会导致肺损伤、消化系统问题和感染以及其他医学问题。是CFTR蛋白突变引起的。通常，作为通道，这种蛋白质允许氯离子等重要离子穿过细胞膜。当突变发生时，CFTR将无法发挥作用或几乎不存在，导致囊性纤维化患者的平均预期寿命只有30年或更短。两种类型的药物，称为增效剂和校正器，几乎使患者的平均寿命增加了一倍。Cutting说，“令人惊讶的是，这些药物可以解决世界上90%患者的疾病根源，改善许多患者的生活。”

然而，如何通过小分子来纠正这种突变蛋白造成的缺陷，这一科学问题依然存在。陈决定接受这个挑战。她成功地解释了所谓的ABC转运蛋白的分子机制——一种通过细胞膜转运糖和其他物质的蛋白质。然而，她一直在关注一种特别不寻常的运输工具——CFTR。她解释说：“它是蛋白质家族中的害群之马，因为它在这个蛋白质家族中只起着通道的作用，而不是泵的作用。”换句话说，CFTR不是主动将物质从低浓度区输送到高浓度区，而是简单地让分子沿着浓度梯度流动，就像水向下流动一样。陈说：“这让我对这种蛋白质很感兴趣。”

起初，几乎不可能找出这种蛋白质的结构以及这些药物可能结合的位置。原因是即使没有突变，CFTR也是不稳定的，它的各个部分都会发生变化。作为分析蛋白质结构的标准技术，X射线晶体衍射不能胜任这一任务。x射线晶体衍射依赖于能够形成稳定晶体结构的蛋白质——这对于发生变化的蛋白质来说并不容易。陈解释说：“你不能得到它的晶体，因为这种蛋白质的某些部分经常移动。”

图片来自单元格，2022，doi :10.1016/j . cell . 2021 . 12 . 009

然而，这一障碍被2014年的一项技术突破——低温电子显微镜所消除。通过冷冻待研究的蛋白质样品，低温电子显微镜允许获得蛋白质详细结构的电子显微镜图像。首先，陈利用该技术研究了CFTR的通道关闭和通道打开的结构，分别发表在2016年和2017年的Cell期刊上。此后，她的团队发现，改善突变CFTR蛋白功能的囊性纤维化增效剂药物以保持通道开放的方式与这种蛋白结合，正如他们在2019年《科学》(Science，2019，Doi :10.1126/Science)杂志上报道的那样。AAW7611)。

意外空洞

陈和她的博士后助手菲多丘克随后转向另一种药物，这种药物可以改善CFTR突变蛋白的折叠。通过拍摄数千张电子显微镜照片，他们发现CFTR的三维结构中有一个意想不到的空洞。这些矫正药物精确地嵌入在这个空腔中，稳定了蛋白质，并确保它折叠成正确的形状。陈说：“除非你真的观察到，否则你不会感到惊讶，因为文献中没有其他小分子如何帮助蛋白质折叠的例子。”