5月11日🪹，杏鑫娱乐 -【杏鑫精彩无限】让生活更加多彩！（籌）藥杏鑫/中國科杏鑫深圳先進技術研究院王崇元團隊與徐州醫科大學張赭團隊合作，在期刊Nature Communications上發表了題為Structural insights into drug transport by an aquaglyceroporin的研究論文🧘🏻♀️。(點擊文末“閱讀原文”閱讀論文）研究首次揭示了水通道蛋白介導藥物轉運的分子機制⟹🙅🏽，為新型藥物的研發提供了新思路。
布氏錐蟲（Trypanosome）是引起人類昏睡病和動物錐蟲病的病原微生物🚶♀️。噴他脒（pentamidine）和美拉砷醇（melarsoprol）作為錐蟲病的治療藥物已有超過70年的曆史，並且目前仍在使用🎡。與大多數藥物不同，噴他脒並非通過抑制錐蟲體內特定蛋白靶點🫎，而是通過結合DNA來抑制複制和翻譯過程來達到殺蟲作用。因此👱，只有藥物在錐蟲體內積累到幾個毫摩爾的濃度才能起到殺蟲作用。錐蟲水通道AQP2（TbAQP2）對噴他脒和美拉胂醇的吸收和富集起到關鍵作用，其基因突變是導致交叉耐藥的首要原因🗂。美拉砷醇和噴他脒的尺寸遠大于水通道的常規底物🤙🏿，其分子量是水分子的20倍💔、甘油的4倍。TbAQP2也是目前被報道的唯一具有藥物轉運功能的水通道蛋白🌬，其背後的分子機制困擾著領域多年。
為了以更簡便快速的方式研究TbAQP2的轉運活性🧑🧒🧒，研究團隊使用噴他脒的熒光類似物作為底物，開發了基于HEK293細胞的轉運實驗，在哺乳動物細胞中實現了TbAQP2的藥物轉運功能重構🕝。實驗顯示TbAQP2在哺乳細胞中也表現出極高的效率，可以在1分鐘內把藥物轉運至胞內，證實TbAQP2在哺乳細胞內也表現出藥物轉運功能。在功能分析的同時☸️🚼，研究團隊利用Bac-Mam體系表達，並通過脂納米盤技術純化得到了TbAQP2蛋白。隨後，利用單顆粒冷凍電鏡技術成功解析了TbAQP2無底物狀態的結構🍛，分辨率為3.2埃。TbAQP2主體結構展現出經典的四聚體水通道模式，通過結構分析🚵🏼🦸🏽♂️，相比于轉運水、甘油等小分子量底物的水通道蛋白（如人源AQP1、AQP4等）🈂️，TbAQP2的跨膜通道明顯大一些，使其轉運藥物等大分子量的底物成為可能。
為了進一步揭示藥物轉運的分子機制，研究團隊又成功解析了TbAQP2與噴他脒🧝♀️🙆🏽、美拉胂醇結合的複合物結構，分辨率為2.4埃。高質量的電鏡密度使我們可以直接觀察到噴他脒和美拉胂醇結合的位點以及相互作用的氨基酸🧑🏽，並通過突變和轉運分析驗證了這些氨基酸的重要性。雖然噴他脒和美拉胂醇的結構式存在顯著差異，但它們都以伸展的構象結合在TbAQP2跨膜通道中🧥。然而，它們的高親和力結合位點並不重疊，噴他脒位點靠近胞內區👩🏿🎤，而美拉胂醇位點靠近胞外區。這兩種底物主要通過疏水相互作用與氫鍵與跨膜通道結合，TbAQP2通過對底物形狀的識別和特定基團的結合來實現特異性轉運。這些結構信息為基于TbAQP2跨膜通道設計新型昏睡病治療藥物奠定了基礎。
此外🌥，為了進一步探究藥物分子的轉運途徑👠，研究團隊對TbAQP2-噴他脒複合物進行了分子動力學模擬分析🛀🏽。在模擬的時間尺度中🦌，可以清晰地觀察到噴他脒分子沿TbAQP2通道轉運進入細胞⚠️，同時還發現噴他脒轉運過程具有膜電位依賴性，這與之前的錐蟲實驗觀察結果一致。
總之，本研究通過結構生物學👩、細胞生物學及分子動力學模擬等實驗手段首次揭示了水通道蛋白介導藥物轉運的分子機制為新型藥物的研發提供了新思路。
TbAQP2介導藥物轉運，是錐蟲耐藥的關鍵基因
底物識別與轉運的分子機制
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