葡萄糖是地球上絕大多數(shù)生物最重要的能量來源之一。葡萄糖經(jīng)血液循環(huán)被運(yùn)輸至身體各個(gè)器官。在血液流經(jīng)腎臟時(shí),絕大部分葡萄糖會(huì)被濾出,然后再被重吸收回血液。腎臟每天重吸收的葡萄糖達(dá)到180g,才保證了最終排出的尿液中不含葡萄糖1。因此,腎臟是維持血漿中葡萄糖水平的重要器官。腎臟中負(fù)責(zé)葡萄糖重吸收的主要蛋白為鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT),
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葡萄糖是地球上絕大多數(shù)生物最重要的能量來源之一。葡萄糖經(jīng)血液循環(huán)被運(yùn)輸至身體各個(gè)器官。在血液流經(jīng)腎臟時(shí),絕大部分葡萄糖會(huì)被濾出,然后再被重吸收回血液。腎臟每天重吸收的葡萄糖達(dá)到180g,才保證了最終排出的尿液中不含葡萄糖1。因此,腎臟是維持血漿中葡萄糖水平的重要器官。
腎臟中負(fù)責(zé)葡萄糖重吸收的主要蛋白為鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SGLT),其屬于溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)子超家族5A(solute carrier transporter 5A)中的一員,與GLUT(SLC2A)截然不同2。SGLT蛋白利用鈉離子的電化學(xué)勢驅(qū)動(dòng)葡萄糖逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。因此,在轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的同時(shí),伴隨著鈉離子的生電轉(zhuǎn)運(yùn)2。在人類中,SGLT 共發(fā)現(xiàn)有六種亞型,其中在腎臟中主要起作用的為SGLT1和SGLT2。SGLT2位于腎臟近曲小管的S1和S2節(jié)段,負(fù)責(zé)原尿中90%葡萄糖的重吸收3,并且其活性依賴于附屬亞基MAP174。SGLT1位于近曲小管S3節(jié)段,負(fù)責(zé)殘余葡萄糖的重吸收。SGLT2的失活突變會(huì)引起家族性腎性尿糖,這類患者除了尿糖高以外沒有其他明顯的臨床癥狀3,4。此外,早在1886年,德國藥學(xué)家約瑟夫馮梅林發(fā)現(xiàn)從蘋果樹根皮中萃取的天然產(chǎn)物根皮苷(Phlorizin)可以使動(dòng)物多尿、排出尿糖、減輕體重。隨后的研究發(fā)現(xiàn):根皮苷就是SGLT的天然抑制劑。上世紀(jì)80年代末,90年代初,編碼負(fù)責(zé)葡萄糖重吸收的SGLT1和SGLT2蛋白的基因也先后被克隆出來5,6。這一系列在基礎(chǔ)研究方面的進(jìn)展促使制藥界開始關(guān)注SGLT2抑制劑的開發(fā)。其理念是希望通過抑制SGLT蛋白的功能,使原尿中的葡萄糖無法被重吸收,從而通過尿液排出體外,達(dá)到間接降血糖的目的。與SGLT2相比,SGLT1在腎臟中僅負(fù)責(zé)重吸收小部分葡萄糖,并且還在腸道中負(fù)責(zé)葡萄糖的攝取7,抑制其功能后的降糖效果和副作用有待進(jìn)一步研究。所以SGLT2成為治療糖尿病的重要小分子藥物靶點(diǎn)之一。
基于天然產(chǎn)物根皮苷的結(jié)構(gòu),目前,已有多種SGLT2的特異性抑制劑被成功開發(fā)出來,并應(yīng)用于臨床用于治療2型糖尿病,比如恩格列凈(Empagliflozin)、卡格列凈(Canagliflozin)、達(dá)格列凈(Dapagliflozin)等8,其中恩格列凈對SGLT2的選擇性是SGLT1的2500倍9。這些藥物降糖療效顯著,驗(yàn)證了“通過尿出糖來降血糖”這一治療思路的正確性。除了降血糖的功能外,這三種SGLT2的抑制劑還有治療心衰、腎臟保護(hù)等多種臨床效果10,被譽(yù)為“神藥”。盡管SGLT2抑制劑在2型糖尿病的治療中具有重要價(jià)值,目前仍不清楚這些藥物是如何抑制SGLT2蛋白功能的。
北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所陳雷研究員課題組在Nature雜志發(fā)表題目為“Structural basis of inhibition of the human SGLT2-MAP17 glucose transporter”的文章,報(bào)道了人源SGLT2-MAP17復(fù)合物與抑制劑恩格列凈結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在該項(xiàng)研究中,課題組成員經(jīng)過多年積累和摸索,創(chuàng)新性地采用“三接頭固定”的策略克服了該復(fù)合物分子量較小的技術(shù)難題,獲得了冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示抑制劑恩格列凈結(jié)合在SGLT2蛋白的中間,抑制劑的葡萄糖基占據(jù)了葡萄糖的結(jié)合位點(diǎn),葡萄糖基的羥基與SGLT2的氨基酸發(fā)生了極性相互作用。抑制劑的糖苷配基從葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)往外延伸,直到蛋白外側(cè),將SGLT2鎖定在向外開放狀態(tài)。該工作確定了SGLT2抑制劑的結(jié)合位點(diǎn),闡釋了抑制劑抑制SGLT2的工作機(jī)制,為SGLT家族抑制劑的進(jìn)一步優(yōu)化提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)所博士研究生牛延革為本論文的第一作者,陳雷為論文的通訊作者。該研究還得到陳雷課題組的博士生劉銳和博士后管成成,北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院陳知行研究員及其博士生張?jiān)蠢镁康臒晒鈽?biāo)記技術(shù),為本課題提供了高純度熒光標(biāo)記的葡萄糖底物。勃林格殷格翰藥業(yè)有限公司(Boehringer-Ingelheim Pharma, GmbH & Co KG)的Stefan Hoerer和Herbert Nar為本課題提供了恩格列凈及其同位素標(biāo)記物。在該課題開展過程中,勃林格殷格翰中國分公司的張巍怡和葉俊青給予了大力協(xié)助。該工作冷凍電鏡樣品制備、篩選和采集在北京大學(xué)電鏡平臺(tái)和冷凍電鏡平臺(tái)完成,得到了李雪梅、郭振璽、邵博、裴霞和王國鵬等人的幫助。臺(tái)灣大學(xué)的許麗卿(Lih-Ching Hsu)教授饋贈(zèng)了1-NBDG樣品用于課題的前期摸索。同位素實(shí)驗(yàn)由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的黃士堂協(xié)助完成。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理獲得了北京大學(xué)CLS計(jì)算平臺(tái)及未名超算平臺(tái)的硬件和技術(shù)支持。博士后管成成受到了勃林格殷格翰公司博士后項(xiàng)目的支持;該課題得到國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)支持。陳雷實(shí)驗(yàn)室長期致力于代謝類疾病和心血管疾病藥物靶點(diǎn)的工作機(jī)制,先后解析了胰島細(xì)胞葡萄糖感受器KATP,一氧化氮受體sGC等重要蛋白的結(jié)構(gòu)。(生物谷Bioon.com)