囊性纖維化，一種遺傳性外分泌腺疾病，是由編碼囊性纖維化跨膜電導調(diào)節(jié)因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）的基因發(fā)生突變，導致CFTR蛋白缺陷或缺失引起的。
CFTR蛋白作為一種跨膜通道，有助于調(diào)控液體運輸和粘液濃度，它通過控制Cl-和HCO3-等單價陰離子在細胞內(nèi)外的流動來維持表皮細胞內(nèi)外離子和水分的代謝平衡。
囊性纖維化廣泛影響多種器官和系統(tǒng)的功能，包括呼吸系統(tǒng)、消化系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)等。其最普遍的癥狀是由于水分和離子代謝失調(diào)所導致的各種管腔中的黏液積累，比如，胰 腺中黏液積累會引起消化液分泌障礙，更嚴重的是，肺部的粘液積累會誘發(fā)細菌感染和呼吸衰竭。
這種疾病最常見于高加索人，平均每3000個新生兒中有1人患病。隨著診療手段的提高，現(xiàn)中國的確診病例數(shù)較之前明顯上升。
目前對囊性纖維化的治療旨在使用CFTR矯正劑（通過促進CFTR成熟以及蛋白質(zhì)向細胞膜運輸?shù)倪^程來修復CFTR缺陷蛋白的加工）或CFTR增效劑（通過活化的CFTR離子通道，增強離子電流）來恢復CFTR蛋白功能。
首個被FDA批準上市的小分子增效劑Ivacaftor由Vertex制藥公司研發(fā)生產(chǎn)，它對30多個CFTR蛋白的致病突變皆有治療效果。另一個由Galapagos公司研發(fā)的增效劑GLPG1837，目前正在臨床研究階段。
然而，所有這些CFTR調(diào)節(jié)劑都是通過高通量篩選和反復的藥物化學優(yōu)化發(fā)現(xiàn)的。由于缺乏結(jié)構信息，合理的藥物開發(fā)難以實現(xiàn)。
為了解決這個問題，6月21日，洛克菲勒大學陳鈺教授研究團隊在Science上報道了Ivacaftor、GLPG1837與CFTR蛋白復合物在離子通道預開放狀態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構（3.3?），清晰地展示了這兩個增效劑在CFTR蛋白上的結(jié)合位點，從而揭示CFTR蛋白上的精確靶點，以指導下一代藥物的研發(fā)。
首先，在對Ivacaftor與CFTR蛋白之間特殊分子相互作用的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)Ivacaftor結(jié)合在CFTR蛋白和細胞膜之間，與跨膜螺旋TM4、TM5和TM8形成的裂縫對接，結(jié)合位點與TM8的鉸鏈區(qū)重合。
Ivacaftor結(jié)合在CFTR蛋白和細胞膜之間。(A) CFTR蛋白結(jié)合Ivacaftor (品紅色)的總體結(jié)構。TMD:跨膜結(jié)構域，NBD：核苷酸結(jié)合域；(C、D) Ivacaftor結(jié)合部位放大圖。Ivacaftor將其一半的表面暴露于磷脂雙分子層。TM8被表示為圓柱狀。
值得注意的是，為了適應細胞膜的疏水環(huán)境，大多數(shù)膜蛋白往往利用連續(xù)的跨膜α螺旋實現(xiàn)跨膜定位。這是因為α螺旋可以將氨基酸殘基疏水表面暴露出來的同時隱藏其具有親水特性的區(qū)域，從而維持膜蛋白在磷脂雙分子層疏水環(huán)境中的能量狀態(tài)。
陳玨教授團隊認為，TM8這種非連續(xù)的跨膜α螺旋結(jié)構雖然降低了其在細胞膜中的穩(wěn)定性，但是隨之產(chǎn)生的柔性和暴露的親水基團，很可能是CFTR蛋白發(fā)揮離子通道功能所必需的，這也是它在不同功能狀態(tài)下能夠產(chǎn)生巨大的構象變化從而調(diào)控離子通道開關的結(jié)構基礎。
由此，他們推測Ivacaftor的結(jié)合位點可通過穩(wěn)定TM8在離子通道開放狀態(tài)下的構象，起到延長CFTR蛋白開放時間的作用。
接下來，為了驗證該結(jié)合位點的保守性，研究人員進一步解析了CFTR蛋白與另一種增效劑GLPG1837的復合物結(jié)構。有趣的是，雖然GLPG1837的分子結(jié)構與Ivacaftor并不相似，但其在CFTR蛋白上的結(jié)合位點卻與Ivacaftor完全一致（盡管方向和形狀不同）。
增效劑與CFTR蛋白結(jié)合位點示意圖。無增效劑（左），與Ivacaftor結(jié)合（中），與GLPG1837結(jié)合（右）。
最后，研究人員將CFTR蛋白上參與增強劑結(jié)合的重要氨基酸殘基進行了定點突變并分析了這些氨基酸殘基在兩種小分子藥物結(jié)合中的作用。
陳鈺教授說：“這些化合物由兩家不同的公司開發(fā)，具有非常不同的化學性質(zhì)，但它們設法進入同一個位點。這告訴我們，這是一個十分敏感、重要的蛋白質(zhì)區(qū)域。”
由此可見，研究人員發(fā)現(xiàn)的這一結(jié)合位點很可能是一個針對CFTR蛋白藥物的普遍靶點。
有了這些數(shù)據(jù)，研究人員希望能夠制造出在保持離子通道開放方面表現(xiàn)更好的，直接靶向鉸鏈區(qū)的化合物。
當陳鈺教授及其同事致力于開發(fā)新藥時，她鼓勵其他研究人員也這樣做。 “我們把原始數(shù)據(jù)放到網(wǎng)上，歡迎任何人使用，” 陳鈺教授說，“因為如果使用它們的研究人員越多，可用的治療選擇就越多，由此，價格將下降，更多的人將得到幫助。”
感謝陳玨教授團隊分享他們的研究成果。囊性纖維化患者的中位死亡年齡在20歲左右，希望在科學家們共同努力下，這些患者能早日迎來更有效的藥物，迎接生命的曙光。
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