底物和抑制剂对多药转运蛋白Pglycoprotein的变构调节机制

　　在一项新的研究中，来自美国范德堡大学和弗吉尼亚大学的研究人员发现了一种蛋白泵如何区分它将细胞中排出的化学物和阻止它发挥作用的抑制剂。相关研究结果近期发表在Science期刊上，论文标题为“Mechanism of allosteric modulation of P-glycoprotein by transport substrates and inhibitors”。

　　这种称为P-糖蛋白（P-glycoprotein）的蛋白泵通过去除潜在有害的化学物来保护细胞，但当这些化学物是治疗性药物时，它导致抗药性---这对癌症治疗造成了特殊的问题。这些新发现可能指导开发更有效的抑制剂来阻止癌细胞对化疗药物产生抗药性。

　　论文通讯作者、分子生理学与生物物理学教授Hassane Mchaourab博士说，这项新的研究解答了关于P-糖蛋白的一个存在已久的问题。

　　Mchaourab将P-糖蛋白描述为一个由两部分组成的分子机器：一个燃烧ATP的引擎和一个为底物（一种由这种转运蛋白移动的分子）提供通道的跨膜结构域。这种引擎使用的ATP能量驱动了将化学物从细胞中移出的构象变化。

　　Mchaourab说，目前尚不清楚的是“这种ATP引擎如何知道一种化学物在一分子‘英里’外的跨膜区结合。”

　　“在人类中，这种转运蛋白会将包括抗生素、抗癌化疗药物、抗抑郁药和阿片类药物在内的化学物从细胞中排出，是什么让一种分子成为这种非常多样化的蛋白泵的底物，又是什么让一种分子成为这种蛋白泵的抑制剂呢？”

　　这项新的研究遵循了Mchaourab及其同事们两年前在Nature期刊上报道的研究结果（Nature, 30 March 2017, doi:10.1038/nature21414）。P-糖蛋白具有两个ATP燃烧位点，而且这些研究人员通过使用光谱法（双电子-电子共振，DEER）发现这两个位点在结构上是不对称的---先是一个位点燃烧ATP，然后第二个位点燃烧ATP。他们还发现这两个连续步骤与底物识别有关。

　　Mchaourab记得范德堡大学医学中心科学作家Bill Snyder提问了一个让他停下来思考的问题 ---为什么大自然会设计一个不对称的引擎？

　　Mchaourab说，“我回答说，这可能是这种转运蛋白知道它是否结合底物的方式。但是，我们已完成了所有的在底物存在时的实验---这是因为这就是这种转运蛋白的工作方式。”这些研究人员没有研究在底物不存在的情况下ATP燃烧位点的结构。

　　Mchaourab回忆道，“那天是星期五，那天晚上我醒来时想到了Bill提出的问题。在星期一，我让Reza（一名博士后研究员）重复这些实验并移除底物。瞧，这种引擎变得对称---哪个位点首先燃烧ATP并不重要。”

　　在使用P-糖蛋白第三代抑制剂的研究中，这些研究人员发现这些抑制剂也稳定了这种引擎的对称状态，但与空状态（即不存在抑制剂也不存在底物时的状态）不同。

　　Mchaourab说，“抑制剂会缠住这种转运蛋白，让它无法进入不对称状态，也就无法进行作功行程---这种转运蛋白从我们称之为向内的方向移动到向外的方向并释放出底物。”

　　了解底物和抑制剂稳定的P-糖蛋白的不同构象将使得筛选更有效的抑制剂分子成为可能。这也可能有助于科学家们理解为何现有的抑制剂在临床试验中表现不佳。

　　Mchaourab说，“P-糖蛋白是如此重要的临床靶点。如今，我们意识到抑制剂也作用于这种引擎的不对称状态。P-糖蛋白知道它是否是空的，或者它是否通过调节不对称水平来确定是与底物结合，还是与抑制剂结合。”