...普林斯頓大學分子生物學系顏寧團隊聚焦糖轉運蛋白「餓死瘧原蟲」

2020-12-23 清華大學新聞網

清華新聞網9月2日電 瘧疾（Malaria）是瘧原蟲（Plasmodium）通過雌性按蚊為媒介傳播的傳染性疾病，是當今世界公共衛生的突出問題。可寄生於人類的瘧原蟲有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時期的紅細胞，引起嚴重的全身症狀甚至導致死亡，是現存對人類健康威脅最大的瘧原蟲。

上世紀70年代，屠呦呦等中國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的藥物聯用療法（Artemisinin-based combination therapy，ACT）仍舊是治療惡性和重症瘧疾的一線療法，對全球的抗瘧工作起到了突出貢獻，屠呦呦也因此獲得2015年諾貝爾生理與醫學獎。然而由於耐藥性瘧原蟲的產生，ACT療法已先後在東南亞和非洲地區出現了治療失敗的病例，開發新型抗瘧藥物已成為亟需解決的重要科學和公共衛生問題。

葡萄糖是大多數動物細胞的主要能源物質，通過抑制細胞攝取葡萄糖的「飢餓療法」，可作為治療一些相關疾病的潛在治療策略。在惡性瘧原蟲中，己糖轉運蛋白PfHT1（Plasmodium falciparumhexose transporter 1）是其主要的葡萄糖攝入蛋白，通過抑制該蛋白的轉運活性，將可能有效抑制瘧原蟲的能量攝入從而抑制原蟲的生長和增殖，但是該策略的難度在於定向抑制瘧原蟲的糖攝入而不影響人體細胞。在早期針對PfHT1作為抗瘧靶點的研究中，由於缺乏該蛋白的結構信息，抑制劑的開發工作沒有取得突破性進步。原清華大學生命科學學院教授顏寧領導的團隊在2014年和2015年相繼解析了人源葡萄糖轉運蛋白GLUT1和GLUT3的高解析度晶體結構，與此同時將目標鎖定PfHT1，並在結構解析的基礎上與清華大學藥學院尹航教授團隊合作進行基於結構的小分子藥物開發。

C3361別構抑制PfHT1並誘導產生新的空腔結構

（A）相比與底物葡萄糖結合的PfHT1蛋白構象，與抑制劑C3361的結合引起了PfHT1蛋白巨大的構象變化；（B）C3361分子在佔據底物葡萄糖結合位點的同時在其尾部誘導產生了一個新的空腔；（C）葡萄糖／C3361分別與PfHT1結合構象下的空腔對比。

2020年8月28日，顏寧團隊與尹航團隊合作在國際頂級期刊《細胞》上在線發表題為《抑制惡性瘧原蟲糖攝入的結構基礎》（Structural Basis for Blocking Sugar Uptake into the Malaria Parasite Plasmodium falciparum）的重要研究成果。

該論文報導了PfHT1分別結合天然底物葡萄糖和一個已知的選擇性與抑制效果都比較微弱的抑制劑C3361的兩個結構。出乎意料，C3361的結合導致了PfHT1巨大的構象變化，衍生出一個全新的空腔結構，可以用來作為靶點進行抑制劑的設計與優化。在此發現的基礎上，團隊成員開發出了一系列具有更高親和力的選擇性抑制劑，在原蟲抑制實驗中確認可以有效殺死瘧原蟲，卻對人源細胞無害，從而為開發新一代抗瘧藥物開闢了道路。

在發表《細胞》論文的同時，兩個團隊還合作在生物領域預印本平臺bioRxiv上發表了題為《靶向PfHT1蛋白正構-別構雙位點的選擇性抗瘧藥物開發》（Orthosteric-allosteric dual inhibitors of PfHT1 as selective anti-malarial agents）的研究成果。在這一文章中進一步詳細闡明了新一代小分子抑制劑系列的設計思路和構效關係，並通過一系列的原蟲抑制實驗驗證了該系列小分子抑制劑的高殺傷性、低細胞毒性以及針對原蟲多個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一步開發奠定了基礎。

綜上，研究團隊針對瘧疾耐藥性不斷增加的現狀，通過對底物或抑制劑結合狀態下的PfHT1蛋白結構解析，鑑定了新的藥物結合位點並設計出一系列高效的「正構-別構」雙位點抑制劑。通過抑制瘧原蟲對葡萄糖的攝取「餓死瘧原蟲」，這代表著一種新型抗瘧藥物研發思路，為下一代抗瘧藥物的研發奠定了基礎。

中國科學院院士、清華大學饒子和教授表示：「研究團隊以阻斷瘧原蟲能源攝取為新手段開發的新一代化合物有望解決日趨嚴重的瘧疾耐藥性問題；同時靶向膜轉運蛋白的正構及別構調節位點的抑制劑設計思路非常具有創造性，也為其他藥物理性設計提供了參考」。

文章的共同通訊作者為原清華大學生命科學學院、醫學院、現普林斯頓大學分子生物學系教授顏寧和清華大學藥學院教授尹航，共同第一作者為現已畢業的清華大學生命科學學院博士蔣鑫、清華大學生命科學學院博士後袁亞飛、清華大學化學系2016級博士生黃健與清華大學生命科學學院2017級博士生張碩。

本研究歷時多年，在此過程中經費來源於清華大學結構生物學高精尖創新中心、生物聯合中心、膜生物學國家重點實驗室、國家自然科學基金與北京高校卓越青年科學家計劃項目的支持，實驗受到全球健康藥物研發中心（GHDDI）瘧疾項目團隊、日本SPring-8同步輻射中心、上海同步輻射光源（SSRF）以及清華大學蛋白質研究技術中心X射線晶體學平臺、清華大學藥學技術平臺的支持。

原文連結：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31006-0#

供稿：藥學院

編輯：李華山

審核：程曦

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