最新研究成果 | 尹航團(tuán)隊(duì)和顏寧團(tuán)隊(duì)聚焦糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白“餓死瘧原蟲”
時(shí)間：2021-04-09 00:28:02學(xué)院：藥學(xué)院學(xué)校：清華大學(xué)
瘧疾（Malaria）是瘧原蟲（Plasmodium）通過(guò)雌性按蚊為媒介傳播的傳染性疾病，是當(dāng)今世界公共衛(wèi)生的突出問(wèn)題?？杉纳谌祟惖寞懺x有5種，包括：惡性瘧原蟲（Plasmodium falciparum）、卵形瘧原蟲（Plasmodium ovale）、間日瘧原蟲（Plasmodium vivax）、三日瘧原蟲（Plasmodium malariae）和諾氏瘧原蟲（Plasmodium knowlesi），其中惡性瘧原蟲可感染各個(gè)時(shí)期的紅細(xì)胞，引起嚴(yán)重的全身癥狀甚至導(dǎo)致死亡，是現(xiàn)存對(duì)人類健康威脅最大的瘧原蟲。
上世紀(jì)七十年代，屠呦呦等中國(guó)科技工作者從黃花蒿中成功提取出抗瘧效果良好的青蒿素化合物。至今以青蒿素為基礎(chǔ)的藥物聯(lián)用療法（Artemisinin-based combination therapy，ACT）仍舊是治療惡性和重癥瘧疾的一線療法，對(duì)全球的抗瘧工作起到了突出貢獻(xiàn)，屠呦呦也因此獲得2015年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。然而由于耐藥性瘧原蟲的產(chǎn)生，ACT療法已先后在東南亞和非洲地區(qū)出現(xiàn)了治療失敗的病例，開發(fā)新型抗瘧藥物已成為亟需解決的重要科學(xué)和公共衛(wèi)生問(wèn)題。
葡萄糖是大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，通過(guò)抑制細(xì)胞攝取葡萄糖的“饑餓療法”，可作為治療一些相關(guān)疾病的潛在治療策略。在惡性瘧原蟲中，己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PfHT1（Plasmodium falciparum hexose transporter 1）是其主要的葡萄糖攝入蛋白，通過(guò)抑制該蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，將可能有效抑制瘧原蟲的能量攝入從而抑制原蟲的生長(zhǎng)和增殖，但是該策略的難度在于定向抑制瘧原蟲的糖攝入而不影響人體細(xì)胞。在早期針對(duì)PfHT1作為抗瘧靶點(diǎn)的研究中，由于缺乏該蛋白的結(jié)構(gòu)信息，抑制劑的開發(fā)工作沒(méi)有取得突破性進(jìn)步。原清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授顏寧領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2014年和2015年相繼解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1和GLUT3的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)將目標(biāo)鎖定PfHT1，并在結(jié)構(gòu)解析的基礎(chǔ)上與清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)的小分子藥物開發(fā)。
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葡萄糖是大多數(shù)動(dòng)物細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，通過(guò)抑制細(xì)胞攝取葡萄糖的“饑餓療法”，可作為治療一些相關(guān)疾病的潛在治療策略。在惡性瘧原蟲中，己糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PfHT1（Plasmodium falciparum hexose transporter 1）是其主要的葡萄糖攝入蛋白，通過(guò)抑制該蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)活性，將可能有效抑制瘧原蟲的能量攝入從而抑制原蟲的生長(zhǎng)和增殖，但是該策略的難度在于定向抑制瘧原蟲的糖攝入而不影響人體細(xì)胞。在早期針對(duì)PfHT1作為抗瘧靶點(diǎn)的研究中，由于缺乏該蛋白的結(jié)構(gòu)信息，抑制劑的開發(fā)工作沒(méi)有取得突破性進(jìn)步。原清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授顏寧領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在2014年和2015年相繼解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1和GLUT3的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)，與此同時(shí)將目標(biāo)鎖定PfHT1，并在結(jié)構(gòu)解析的基礎(chǔ)上與清華大學(xué)藥學(xué)院尹航教授團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)的小分子藥物開發(fā)。
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C3361別構(gòu)抑制PfHT1并誘導(dǎo)產(chǎn)生新的空腔結(jié)構(gòu)
（A）相比與底物葡萄糖結(jié)合的PfHT1蛋白構(gòu)象，與抑制劑C3361的結(jié)合引起了PfHT1蛋白巨大的構(gòu)象變化；
（B）C3361分子在占據(jù)底物葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)的同時(shí)在其尾部誘導(dǎo)產(chǎn)生了一個(gè)新的空腔；
（C）葡萄糖／C3361分別與PfHT1結(jié)合構(gòu)象下的空腔對(duì)比
?（A）相比與底物葡萄糖結(jié)合的PfHT1蛋白構(gòu)象，與抑制劑C3361的結(jié)合引起了PfHT1蛋白巨大的構(gòu)象變化；
（B）C3361分子在占據(jù)底物葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)的同時(shí)在其尾部誘導(dǎo)產(chǎn)生了一個(gè)新的空腔；
（C）葡萄糖／C3361分別與PfHT1結(jié)合構(gòu)象下的空腔對(duì)比
2020年8月28日，顏寧團(tuán)隊(duì)與尹航團(tuán)隊(duì)合作在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》上在線發(fā)表題為《抑制惡性瘧原蟲糖攝入的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》（Structural Basis for Blocking Sugar Uptake into the Malaria Parasite Plasmodium falciparum）的重要研究成果。
該論文報(bào)道了PfHT1分別結(jié)合天然底物葡萄糖和一個(gè)已知的選擇性與抑制效果都比較微弱的抑制劑C3361的兩個(gè)結(jié)構(gòu)。出乎意料，C3361的結(jié)合導(dǎo)致了PfHT1巨大的構(gòu)象變化，衍生出一個(gè)全新的空腔結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)作為靶點(diǎn)進(jìn)行抑制劑的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在此發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成員開發(fā)出了一系列具有更高親和力的選擇性抑制劑，在原蟲抑制實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)可以有效殺死瘧原蟲，卻對(duì)人源細(xì)胞無(wú)害，從而為開發(fā)新一代抗瘧藥物開辟了道路。
在發(fā)表《細(xì)胞》論文的同時(shí)，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)還合作在生物領(lǐng)域預(yù)印本平臺(tái)bioRxiv上發(fā)表了題為《靶向PfHT1蛋白正構(gòu)-別構(gòu)雙位點(diǎn)的選擇性抗瘧藥物開發(fā)》（Orthosteric-allosteric dual inhibitors of PfHT1 as selective anti-malarial agents）的研究成果。在這一文章中進(jìn)一步詳細(xì)闡明了新一代小分子抑制劑系列的設(shè)計(jì)思路和構(gòu)效關(guān)系，并通過(guò)一系列的原蟲抑制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系列小分子抑制劑的高殺傷性、低細(xì)胞毒性以及針對(duì)原蟲多個(gè)繁殖周期都具有良好抑制效果的多周期性，從而為該系列抗瘧藥物的進(jìn)一步開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
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綜上，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)瘧疾耐藥性不斷增加的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)底物或抑制劑結(jié)合狀態(tài)下的PfHT1蛋白結(jié)構(gòu)解析，鑒定了新的藥物結(jié)合位點(diǎn)并設(shè)計(jì)出一系列高效的“正構(gòu)-別構(gòu)”雙位點(diǎn)抑制劑。通過(guò)抑制瘧原蟲對(duì)葡萄糖的攝取 “餓死瘧原蟲”，這代表著一種新型抗瘧藥物研發(fā)思路，為下一代抗瘧藥物的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)饒子和教授表示：“研究團(tuán)隊(duì)以阻斷瘧原蟲能源攝取為新手段開發(fā)的新一代化合物有望解決日趨嚴(yán)重的瘧疾耐藥性問(wèn)題；同時(shí)靶向膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的正構(gòu)及別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)的抑制劑設(shè)計(jì)思路非常具有創(chuàng)造性，也為其他藥物理性設(shè)計(jì)提供了參考”。
清華大學(xué)藥學(xué)院院長(zhǎng)、全球健康藥物研發(fā)中心（GHDDI）主任丁勝表示， “隨著近幾年瘧疾在中國(guó)的銷聲匿跡，這一曾經(jīng)深深困擾國(guó)人的疾病逐漸淡出大眾的視野。然而，在撒哈拉以南的非洲仍有數(shù)百萬(wàn)人深受其害。耐藥瘧原蟲的出現(xiàn)、治療藥物的失效，也不斷警醒著我們——抗瘧新藥研發(fā)工作刻不容緩。如今，顏寧、尹航等多個(gè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)緊密合作，協(xié)同海內(nèi)外多位科學(xué)家，通過(guò)抑制瘧原蟲對(duì)葡萄糖的攝取 “餓死瘧原蟲”，并創(chuàng)新性地發(fā)現(xiàn)有效及安全的抑制劑，代表著一種新型抗瘧藥物研發(fā)思路”。
文章的共同通訊作者為原清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、醫(yī)學(xué)院、現(xiàn)普林斯頓大學(xué)分子生物學(xué)系教授顏寧和清華大學(xué)藥學(xué)院教授尹航，共同第一作者為現(xiàn)已畢業(yè)的清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士蔣鑫、清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后袁亞飛、清華大學(xué)化學(xué)系2016級(jí)博士生黃健與清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2017級(jí)博士生張碩。
本研究歷時(shí)多年，在此過(guò)程中經(jīng)費(fèi)來(lái)源于清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、生物聯(lián)合中心、膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金與北京高校卓越青年科學(xué)家計(jì)劃項(xiàng)目的支持，實(shí)驗(yàn)受到全球健康藥物研發(fā)中心（GHDDI）瘧疾項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、日本SPring-8同步輻射中心、上海同步輻射光源（SSRF）、以及清華大學(xué)蛋白質(zhì)研究技術(shù)中心X射線晶體學(xué)平臺(tái)、清華大學(xué)藥學(xué)技術(shù)平臺(tái)的支持。
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原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.015
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31006-0#
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