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Cell抑制恶性疟原虫糖摄入的结构基
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作者：余洁
来源：大科研小分享（Ai_Fen_Xiang）
背景介绍大家好哈！今天给大家分享一篇颜宁老师与尹航老师十月份于Cell上发表的一篇文章。这篇文章整合了结构生物学与药物化学，做的十分漂亮。疟疾疟疾从历史到现在一直都是一种非常严重的全球性传染病。主要发生在非洲和东南亚的热带和亚热带地区。疟疾的病原体是疟原虫，它是一种单细胞寄生虫，可以在人和一种叫按蚊的蚊子之间寄生繁殖。传播途径：人被蚊子叮咬，疟原虫进入人体，半小时后侵入肝脏，开始无性繁殖，疟原虫增值导致肝细胞破裂，疟原虫释放到血液，侵入红细胞继续繁殖，在红细胞之间扩散引发疟疾病症。蚊子再吸血，疟原虫被蚊子吸进体内，完成有性繁殖，生成新的孢子体，再感染其他人。疟原虫在人体发育繁殖分为两个时期，肝细胞内期和红细胞内期。由于肝代谢环境太复杂，目前大多数抗疟药都是通过阻断疟原虫在红细胞内期的繁殖来发挥作用的。疟疾分为间日疟、三日疟、恶性疟等，其中恶性疟是致死率最高的一种，本文针对恶性疟原虫进行研究。现有药物目前疟疾治疗最重要的两类药物：喹啉类抗疟药、青蒿素类抗疟药，它们都作用于红细胞内期。奎宁：金鸡纳树皮中提取的一种生物碱，在当时也是拯救无数生命，但副作用大。氯喹：对奎宁进行结构改造得到的更有效的抗疟药，且副作用小，受到了广泛的应用。但只经过十几年就导致疟原虫产生了耐药性。年，屠呦呦和她的团队发现并提取了青蒿素，创造了新一代抗疟神药，至今，青蒿素联合疗法仍是治疗疟疾的一线疗法，但是，在青蒿素应用了几十年后，全球部分地区相继出现了青蒿素耐药的病例，因此，迫切需要开发新一代的抗疟药。研究流程本文采用一种“饿死”疟原虫的策略，阻止疟原虫摄取葡萄糖而不影响人体细胞摄取葡萄糖，PfHT1是恶性疟原虫的主要葡萄糖转运蛋白。所以需要选择性抑制PfHT1的活性而不影响人的葡萄糖转运蛋白活性。之前的一个研究发现了PfHT1的选择性抑制剂C，但活性较弱，是葡萄糖的衍生物。本文解析了PfHT1-Glucose、PfHT1-C晶体结构，结构对比发现，C会诱导蛋白形成一个新的口袋，也就是说C的糖链占据葡萄糖结合口袋，脂肪链占据新的结合口袋，接着研究者们基于新的结合口袋对C的脂肪链进行基于结构的优化获得了活性增强的抑制剂。晶体的解析过程获得一个蛋白质的晶体结构可以分为三个步骤。一、晶体制备：蛋白表达、纯化、结晶。不同的蛋白结晶条件不同，需要大量试验来寻找适合蛋白结晶的条件。二、本文用X射线衍射方法解析蛋白结构，所以这步是衍射实验，用X射线照射蛋白晶体，获得衍射图像。三、结构分析。软件测量分析衍射强度，计算得到蛋白质的电子密度，软件自动给电子密度区域匹配对应的氨基酸，获得蛋白结构。文章内容首先作者表达纯化蛋白，然后通过逆流转运实验验证重组蛋白的葡萄糖转运活性。解析PfHT1-葡萄糖复合物晶体结构，对比PfHT1和人的葡萄糖转运蛋白的结构发现主要的结构变化在TM7b，7b更大的弯曲以封闭葡萄糖的结合位点。不过它们的葡萄糖结合位点的残基非常接近，这也提示我们想针对葡萄糖结合位点设计选择性抑制剂是非常难的。接着解析选择性抑制剂C和蛋白的复合物晶体结构首先验证C可以选择性抑制PfHT1的转运活性而对两个人的葡萄糖转运蛋白没有作用。结构解析后，对比葡萄糖结合的蛋白结构和C结合的蛋白结构发现C结合后，TM1e和TM7b发生明显的位移，TM2和TM4也发生一定变化以下是TM1e和TM7b在C的结合过程。TM1e和TM7b在Cbinding后会变直。C的脂肪链诱导产生了一个新的口袋观察构象发现，C的糖链部分和葡萄糖的结合模式基本完全相同，而C的尾部脂肪链被TM1e和TM2、TM7b的许多疏水残基包围，且这个疏水口袋空间较大，C的尾部脂肪链并没有完美的占据这个疏水口袋，因此研究者们认为可以对C的尾部脂肪链进行结构改造，使它和这个疏水口袋形成更强的亲和力来提高它的活性和选择性。研究者设计了几十种C的衍生物，改的R2，GlideXP对接，Prime/MMGBSA计算结合自由能，筛了三个化合物1a、1b、1c，合成，并检测三个化合物对pfHT1的抑制作用和对人源葡萄糖转运蛋白的选择性。三个化合物都保留选择性，其中抑制活性最强的是1c（HTI-1）接着对HTI-1和pfHT1的对接结构进行了50ns的分子动力学模拟，观察到TM1，2，7b发生了位移使这个口袋变小，HTI-1的喹啉环和这个口袋在空间上是实现了更好的互补MM-PBSA验证HTI-1和蛋白的亲和力增强。为了进一步分析两个结合口袋，研究者对C链长度以及R1进行改造，结果发现C链在8-10之间最佳，用L-葡萄糖和D-果糖替代D-葡萄糖活性显著降低。接着，研究者们检测了这批衍生物对药物敏感的恶性疟原虫和多药耐药的恶性疟原虫的抗疟活性，并检测了它们对两中哺乳动物细胞的毒性，发现还是HTI-1抗疟活性最强且对哺乳动物细胞毒性弱。研究者们对比了HTI-1和疟疾药物库中的唯一一个PfHT1抑制剂MMV对PfHT1的抑制活性，发现HTI-1明显强。此外，对比HTI-1与库中多种药物的抗疟原虫活性，发现HTI-1比库中大多数药物都有效。总结您可能感兴趣的
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