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抗瘧研究新進展！顏寧團隊和尹航團隊聚焦糖轉運蛋白“餓死瘧原蟲”

來源：泰然健康網時間：2024年12月02日 19:10

抗瘧研究新進展！顏寧團隊和尹航團隊聚焦糖轉運蛋白“餓死瘧原蟲”

2020年8月28日，原清華大學生命科學學院、醫(yī)學院、現普林斯頓大學分子生物學系顏寧團隊和清華大學藥學院尹航團隊合作在國際頂級期刊《細胞》上在線發(fā)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。

該論文闡釋了己糖轉運蛋白PfHT1（Plasmodium falciparum hexose transporter 1）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均較弱的抑制劑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，可以被作為靶點進行抑制劑的設計與優(yōu)化。在此發(fā)現的基礎上，團隊成員開發(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(fā)新一代抗瘧藥物開辟了道路。

C3361別構抑制PfHT1并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分子在占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

一、采用新思路，餓死瘧原蟲

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(wèi)生的突出問題?？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時期的紅細胞，引起嚴重的全身癥狀甚至導致死亡，是現存對人類健康威脅最大的瘧原蟲。當前，全球抗擊瘧疾的難題是瘧原蟲開始對現有藥物治療方法產生耐藥性，過去行得通的方法在逐漸失去效力。如何開拓思路發(fā)現新的抗瘧方法，是科學家們關注的重點。

“餓死瘧原蟲”研究，可分為三個階段的突破。

階段1：找到致命弱點

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“饑餓療法”，可作為治療一些相關疾病的潛在治療策略。PfHT1是惡性瘧原蟲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其生長和增殖，但是該策略的難度在于如何定向抑制瘧原蟲的糖攝入而不影響人體細胞。

階段2：找到殺手锏

在早期針對PfHT1作為抗瘧靶點的研究中，由于缺乏該蛋白的結構信息，特別是結合抑制劑狀態(tài)下的復合物結構信息，抑制劑的開發(fā)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率先將目標鎖定PfHT1，并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于結構的小分子藥物開發(fā)，并成功獲得了一系列具有更高親和力與選擇性的靶向PfHT1的小分子抑制劑。

階段3：確保安全

為了確認尹教授團隊設計的抑制劑殺死了瘧原蟲而非人類細胞，全球健康藥物研發(fā)中心（GHDDI）為此提供了大力支持。GHDDI作為非營利性新藥研發(fā)機構，專注于全球健康相關疾病的藥物研發(fā)，瘧疾正是GHDDI的重點研究領域之一，并對此擁有相關多年研發(fā)經驗的人才儲備。尹教授團隊將該抑制劑交由GHDDI的瘧疾疾病生物學小組負責人加藤信高（Nobutaka Kato）博士，該團隊在不同濃度葡萄糖的培養(yǎng)基中培養(yǎng)耐藥性瘧原蟲，分別給予該抑制劑，并進行梯度劑量測試。結果證實，該抑制劑可有效阻斷PfHT1攝入葡萄糖，瘧原蟲因無法利用葡萄糖產生能量而死亡。該抑制劑與青蒿素一樣迅速有效，且?guī)缀鯖]有對人類細胞產生副作用。

二、為新一代抗瘧藥物奠定基礎

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(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(yī)學獎。然而由于耐藥性瘧原蟲的產生，ACT療法已先后在東南亞和非洲地區(qū)出現了治療失敗的病例，開發(fā)新型抗瘧藥物已成為亟需解決的重要科學和公共衛(wèi)生問題。

清華大學藥學院院長、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的銷聲匿跡，這一曾經深深困擾國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百萬人深受其害。耐藥瘧原蟲的出現、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、尹航等多個團隊通過緊密合作，協(xié)同海內外多位科學家，通過抑制瘧原蟲對葡萄糖的攝取 “餓死瘧原蟲”，并創(chuàng)新性地發(fā)現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?！?/p>

與此同時，生物領域預印本平臺bioRxiv上發(fā)表了該合作團隊題為《靶向PfHT1蛋白正構-別構雙位點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。該文章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系，并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。

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(fā)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(jié)位點的抑制劑設計思路非常具有創(chuàng)造性，也為其他藥物理性設計提供了參考?！?/p>

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(tài)下的PfHT1蛋白結構解析，鑒定了新的藥物結合位點并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，從而“餓死瘧原蟲”，這代表著一種新型抗瘧藥物研發(fā)方向的出現，為下一代抗瘧藥物的研發(fā)奠定了基礎。

文章的共同通訊作者為原清華大學生命科學學院、醫(yī)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(yè)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后袁亞飛、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于清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心、生物聯(lián)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。實驗得到全球健康藥物研發(fā)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射線晶體學平臺以及清華大學藥學技術中心的支持。

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