2021年1月3日訊/生物谷BIOON/---維生素K拮抗劑（vitamin K antagonist, VKA），如華法林，是口服抗凝劑，常用於治療和預防血栓栓塞性疾病，包括中風和心臟病發作。而補充維生素K挽救了無數止血功能不足的新生兒的生命。這些治療過程的核心是維生素K環氧化物還原酶（vitamin K epoxide reductase, VKOR），這是一種內質膜酶，它能產生維生素K的活性形式以支持血液凝固。VKA抑制VKOR的催化作用，VKOR的催化作用是由兩對半胱氨酸進行的，一對半胱氨酸直接還原底物，另一對半胱氨酸介導電子轉移。VKOR的直系同源物和旁系同源物（統稱為VKOR類似物）構成了一個龐大的完整膜硫醇氧化還原酶家族，但在缺乏高解析度結構的情況下，對它們的催化和抑制機制的理解一直是個挑戰。
過量服用VKA常引起大出血或致命性出血，佔老年人所有藥物不良反應住院人數的三分之一。儘管幾十年來在臨床上遇到了很多困難，但對於VKA的拮抗作用及其靶酶VKOR的機理還缺乏深入的了解，儘管人們已知VKOR設法在水-膜界面上轉移電子，以支持其獨特的環氧化物還原活性。
在一項新的研究中，來自美國華盛頓大學醫學院和阿貢國家實驗室的研究人員解析出人VKOR及其旁系同源物與不同底物和拮抗劑在不同功能狀態下的11個晶體結構，從而揭示出VKOR酶的幾乎整個催化循環和VKA的作用機制。相關研究結果發表在2020年1月1日的Science期刊上，論文標題為「Structural basis of antagonizing the vitamin K catalytic cycle for anticoagulation」。
VKOR的催化循環和抑制，圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5667。
四個有代表性的VKA的結構表明，它們與Asn80和Tyr139之間形成的氫鍵在基本上疏水性的口袋中提供了識別的特異性。這個VKA結合口袋，也作為活性位點，被一個四跨膜螺旋束包圍，並由一個帽結構域（cap domain）覆蓋。破壞帽結構域的穩定性或直接破壞華法林結合相互作用的突變會導致華法令耐受性（warfarin resistance）。華法林的代謝失活是通過在這個疏水性口袋中對能量不利的羥基修飾實現的。對超級華法林（superwarfarin，指的是與華法令結構相似，但效能是華法令的100倍，而且半衰期比華法令長很多）的高效抑制作用是通過它們的較大的側面基團結合到維生素K的異戊基鏈的隧道上。與無配體狀態的結構比較表明，華法林的局部結合相互作用導致了從開放到封閉的整體蛋白構象的變化。
底物結合結構揭示了還原的活性位點半胱氨酸是形成電荷轉移複合物或共價複合物所必需的。這些底物加合物與Asn80和Tyr139形成氫鍵以促進化學反應，其穩定的結合相互作用誘導出封閉的蛋白構象。這種構象變化使兩對半胱氨酸聚集在一起，觸發電子轉移，從而使底物還原。
這些結構揭示了一種激活機制，即穩定結合的底物加合物觸發VKOR發生重組以促進電子轉移。VKA的高效力來自於在全局水平上模擬構象變化和在局部水平上模擬底物氫鍵相互作用。這些機理上的見解為設計新的抗凝治療策略提供了基礎。（生物谷 Bioon.com）
參考資料：
Shixuan Liu et al. Structural basis of antagonizing the vitamin K catalytic cycle for anticoagulation. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5667.