精确靶向关键蛋白质亚型的新策略

环孢菌素是用于治疗关节炎和银屑病等慢性疾病的最常见和最有效的免疫抑制剂之一，但它有产生严重副作用的风险。科学家认为，这可能是因为该药物广泛靶向亲环蛋白，这是一个由17种调节蛋白组成的家族，在促进细胞健康方面发挥着不同的作用。尽管每个单独的亲环蛋白亚型都有独特的作用，但许多当前的免疫抑制药物针对整个家族，这意味着重要的未知途径可能会被意外关闭或以其他方式改变。

由于分子结合的活性位点在所有17种亲环蛋白中几乎相同，因此问题变得复杂，这使得制药商难以针对特定的亚型。在今天发表在《自然化学生物学》上的一篇论文中，Broad研究所核心成员DavidLiu实验室的科学家，他也是Broad的Merkin医疗保健变革技术研究所所长，与纽约州立大学石质分校的MarkusSeeliger实验室合作Brook和麻省总医院的研究所成员VamsiMootha提出了一种新的解决方案。

刘实验室的研究人员没有针对亲环蛋白的活性位点，而是描述了一种发现与“外位点”结合的化合物的过程，“外位点”是靠近活性位点的一个小口袋，在不同的亲环蛋白中大小和形状各不相同。在试管中使用分离的蛋白质，研究小组发现了几种专门结合和抑制亲环素D(CypD)的化合物，亲环素D(CypD)是一种参与线粒体孔打开和关闭的蛋白质。他们还应用类似的原理来发现独特的、选择性的亲环蛋白E(CypE)抑制剂。作者说，他们的研究为科学家开发额外的亚型选择性亲环蛋白抑制剂奠定了基础，其中一些可能用作生物学工具或作为治疗开发的线索。

“这是一种新的绑定模式，它利用了人们尚未完全探索的口袋，”主要作者亚历克斯彼得森说，他现在是斯克里普斯研究所的博士后研究员，作为刘实验室的研究生领导了该项目，他说.“这是人们如何设计选择性亲环素抑制剂的蓝图。”

利用新旧技术

CypD调节线粒体通透性转换孔(mPTP)，即位于线粒体内表面的小孔(著名的细胞发电站)。当CypD检测到氧化应激或高钙水平时，它会迅速打开mPTP，让水和其他离子涌入和涌出线粒体。

线粒体闸门的这种打开可能成为缺血再灌注损伤、糖尿病、神经退行性疾病、肝病等疾病的问题。由于这些情况会导致异常高水平的氧化应激，CypD使线粒体毛孔打开的时间比平时更长，从而导致线粒体功能障碍、破裂和细胞死亡。人们认为，减缓和抑制CypD对高氧化应激反应的药物可能用于治疗许多疾病。

为了追踪专门与CypD结合的化合物，该团队转向DNA编码的小分子文库，这是20多年前开发的一项技术，是刘当时新实验室的第一个项目之一。研究人员可以使用这些库来扫描与所需蛋白质结合的分子，这些库中充满了数十万种附着在独特DNA条形码上的合成化合物。通过在试管中混合分离的CypD蛋白和256,000种独特的DNA编码化合物，该团队确定了数百种有前景的化合物。

大多数初始化合物仍然结合在活性位点内和周围，抑制多种亲环蛋白亚型，因此团队逐渐对其化合物进行小的化学变化，使其成为CypD独有的。一旦他们发现外位点是开发亚型特异性抑制剂的关键，他们就能够设计出一对有效抑制CypD的化合物，同时对其他亲环蛋白的影响最小。CypD蛋白和抑制剂在开发过程中的X射线共晶体结构使团队能够在幕后观察它们分子结合的精确位置。

然后，研究人员用他们的两种主要化合物处理分离的线粒体，并观察到它们能有效减缓CypD线粒体孔的打开。他们的化合物不抑制CypD的镜像在线粒体中没有显示出活性。为了证明他们的成功不是孤立事件，他们再次对CypE重复了该策略，CypE是一种负责调节mRNA加工的亲环蛋白。再一次，他们开发了一种专门针对它的化合物，并使剩余的16种亲环蛋白处于未定相状态。

该团队希望他们的发现最终可以帮助化学生物学家和制药商构建更好、更具体的亲环蛋白靶向药物。他们甚至为未来的科学家们提供了帮助——因为CypD靶向化合物难以自行进入人体细胞，该团队通过添加酯衍生物来调整它们，从而有效地绕过质膜并传递到线粒体中。

“我们团队的工作最终让我们克服了这个长期存在的问题：你如何选择性地抑制17种亲环蛋白亚型中的一种?”刘说，他也是霍华德休斯医学研究所的研究员。“在未来，我希望使用我们的策略产生的分子将被证明对基础科学和潜在的治疗都有用。”