顏寧再發Cell 重磅：提出「餓死瘧原蟲」新思路

2020年8月28日，顏寧團隊與清華大學尹航團隊合作在 Cell 上在線發表題為：Structural Basis for Blocking Sugar Uptake into the Malaria Parasite Plasmodium falciparum（抑制惡性瘧原蟲糖攝入的結構基礎）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。

值得一提的是，饒子和院士評價上述工作時稱:「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」。詳細解讀見下文。

據不完全統計，2020年以來，截止目前，顏寧教授已發表超7篇頂刊論文（2篇nature+2篇cell+3篇PNAS），其中6篇都是在短短的4個多月內（5月16日-8月28日），美國新冠疫情大爆發期間完成，平均1個月快2篇頂刊。這在新冠疫情肆虐，實驗室不能正常運轉甚至停擺的2020年，可謂是相當之高質高產！

論文如下

2020年7月17日，顏寧團隊在PNAS 在線發表題為「Cryo-EM analysis of a membrane protein embedded in the liposome」的研究論文，該研究以特徵明確的AcrB為原型，提出了一種方便的工作流程，用於對嵌入脂質體中的膜蛋白進行冷凍-EM結構分析。結合優化的蛋白脂質體分離，冷凍樣品製備和有效的顆粒選擇策略，以3.9Å的解析度獲得了嵌入脂質體中的AcrB的三維（3D）重建。該研究方法可廣泛應用於具有獨特可溶域的膜蛋白的冷凍EM分析，為功能受跨膜電化學梯度或膜曲率影響的整體或外圍膜蛋白的冷凍EM分析奠定了基礎。

2020年6月15日，顏寧及楊洪遠共同通訊在Cell 在線發表題為「Structural Basis of Low-pH-Dependent Lysosomal Cholesterol Egress by NPC1 and NPC2」的研究論文，該研究揭示了低pH依賴性膽固醇從NPC2傳遞到NPC1跨膜（TM）域的分子基礎。在pH 8.0時，在納米光碟和去汙劑中分別獲得3.6Å和3.0Å解析度的NPC1類似結構，揭示了連接N端結構域（NTD）和跨膜固醇傳感結構域（SSD）的隧道結構；在pH 5.5時，NTD表現出兩個構象，表明膽固醇向隧道輸送的運動。在通道的膜邊界發現了一個假定的膽固醇分子，TM2向SSD上的表面袋形成。最後，在pH 5.5時獲得了解析度為4.0Å的NPC1-NPC2複合物的結構，闡明了膽固醇從NPC2轉移到NPC1（NTD）的分子基礎。

2020年6月8日，顏寧團隊在PNAS 在線發表題為「Employing NaChBac for cryo-EM analysis of toxin action on voltage-gated Na+ channels in nanodisc」的研究論文，該研究介紹在洗滌劑膠束和納米圓盤中NaChBac的單粒子冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）分析。在兩種條件下，NaChBac的構象與潛在滅活的NavAb的構象幾乎相同。確定納米光碟中NaChBac的結構使研究人員能夠檢查脂質雙層中Nav通道的門控修飾劑毒素（GMT）。為了研究哺乳動物Nav通道中的GMT，該研究生成了一個嵌合體，其中Nav1.7的第二個電壓感測域中S3和S4區段的細胞外片段替換了NaChBac中的相應序列。此解決方案可實現毒素對接的可視化。因此，NaChBac可以用作膜環境中GMT與Nav通道之間相互作用的結構研究的便捷替代品。

2020年5月13日，顏寧等團隊在Nature 在線發表題為」Structural basis for catalysis and substrate specificity of human ACAT1「的研究論文，該研究介紹了人類ACAT1的冷凍電子顯微鏡結構。每個protomer都由九個跨膜段組成，這些段包圍了一個胞質通道和一個在預計的催化位點會聚的跨膜通道。結構指導的突變分析的證據表明，醯基輔酶A通過細胞質通道進入活性位點，而膽固醇可能從側面通過跨膜通道進入。這種結構和生化特徵有助於合理化ACAT1對不飽和醯基鏈的偏好，並提供對MBOAT家族中酶催化機制的見解。

2020年5月13日，顏寧等團隊在Nature 在線發表題為」Structure and mechanism of human diacylglycerol O-acyltransferase 1「的研究論文，該研究介紹了人類DGAT1的冷凍電子顯微鏡結構。每個DGAT1都有9個跨膜螺旋，其中8個形成保守的結構摺疊，將其命名為MBOAT摺疊。DGAT1中的MBOAT摺疊在膜中形成一個中空腔室，該腔室包圍著高度保守的催化殘留物。該腔室有兩個底物，脂肪醯基輔酶A和二醯基甘油的單獨入口。 DGAT1可以同型二聚體或同型四聚體形式存在，兩種形式具有相似的酶活性。DGAT1的N末端與鄰近的protomer相互作用，而這些相互作用是酶促活性所必需的。

2020年1月14日，顏寧團隊在PNAS 在線發表題為「High-yield monolayer graphene grids for near-atomic resolution cryoelectron microscopy」的研究論文，冷凍電子顯微鏡（cryo-EM）已成為揭示原子結構和生物大分子工作機制的一種強大技術。新設計cryo-EM網格旨在保留薄而均勻的玻璃化冰和改善蛋白質吸附，這被認為是一種有前景的方法以實現更高解析度。在這裡，描述一種方法用於製備石墨烯cryo-EM網格（高達99％單層石墨烯覆蓋率），超過70％網格面積用於有效的數據採集以提高圖像質量和蛋白質密度。使用該石墨烯網格，實現了2.6-Å解析度（用於抗生蛋白鏈菌素），11,000個粒子質量為52 kDa。石墨烯網格增加了可溶性，膜和脂蛋白的密度（至少5倍），實現了最小蛋白質的最高解析度結構。此外，該方法僅採用了簡單的工具，以便大多數結構生物實驗室可以實現。

報告解讀（來源bioart）：

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。

上世紀七十年代，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。

圖1 青蒿素及ACT療法在東南亞（左圖）和非洲（右圖）地區出現治療失敗（圖片來源：左圖，WHO world malaria report；右圖，Nature Medicine, 2020, https://doi.org/10.1038/s41591-020-1005-2）

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 falciparum hexose 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。早在2014和2015年，當時任清華大學教授的顏寧團隊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（2014,2015，Nature），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。

2020年8月28日，顏寧團隊與尹航團隊合作在 Cell 上在線發表題為：Structural Basis for Blocking Sugar Uptake into the Malaria Parasite Plasmodium falciparum（抑制惡性瘧原蟲糖攝入的結構基礎）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 Cell 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：Orthosteric-allosteric dual inhibitors of PfHT1 as selective anti-malarial agents（靶向PfHT1蛋白正構-別構雙位點的選擇性抗瘧藥物開發）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。

值得一提的是，饒子和院士評價上述工作時稱:「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」。

據悉，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。

論文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.08.015

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.08.25.260232v1

本文綜合自bioart,inature