加拿大pc

新聞動(dong)態

楊帆課題組Advanced Science發文計算設計靶向TRPV1通道的正向變構調節劑

來源 : 基礎醫學系    發布時間 : 2021-07-19    瀏覽次數 : 696

隨著以單顆粒冷凍電鏡成像為代表的結構生物學技術的飛速發展,越來越多的重要蛋白質的三維結構得到了解析。以離子通道膜蛋白為例,目前幾乎每個主要離子通道家族都有至少一個成員的結構得到解析。那么,如何用好眾多的高分辨三維結構,推動靶向重要蛋白質的藥物研發,就是一個重要的研究方向。

2021711日,來自加拿大pc生物物理學系的楊帆團隊、美國加州大學戴維斯分校的鄭劼團隊和青島大學藥學院的田玉花團隊在Advanced Science雜志上發表研究論文 “De novo design of peptidic positive allosteric modulators targeting TRPV1 with analgesic effects” ,基于TRPV1離子通道的高分辨率三維結構,計算設計了靶向該通道的多肽正向變構調節劑,通過調控TRPV1通道的配體激活,在動物實驗中發揮鎮痛效果。

疼痛嚴重地影響人們的身心狀態與生活質量,同時給社會帶來極大的醫療開支負擔。因此,研究疼痛的分子機制以及開發安全有效的鎮痛藥物有著迫切的需求。作為疼痛與外界傷害性刺激的感受器,細胞膜上的TRPV1等離子通道通過控制離子的跨細胞膜流動,將疼痛與刺激信號轉化為神經電信號,是有效的鎮痛藥物靶點。

TRPV1離子通道與痛覺感受密切相關,有趣的是無論是TRPV1的激動劑還是拮抗劑,一直都有著明顯的鎮痛作用,近些年來,TRPV1一直是被賦予了高期望值的、研發鎮痛藥物的靶點之一。然而,由于TRPV1通道同樣參與生物體溫調節過程,是人體內重要的高溫感受器,所以單純地降低該通道的活性將引起體溫升高、溫度感覺改變等副作用,故很多通過大規模篩選得出的TRPV1抑制劑在臨床試驗中紛紛失敗。因此,如何在開發以TRPV1通道為靶點的鎮痛藥物中避免這些副作用就是一個亟待解決的科學問題。基于已有的研究基礎,作者團隊設計了數個正向變構調節劑,增加通過TRPV1通道的鈣離子內流,可逆性消除表達TRPV1的疼痛感受神經元末梢,從而達到鎮痛的目的。

TRPV1是一個鈣依賴性脫敏的陽離子通道,而其脫敏與TRPV1胞內的Ankyrin Repeat DomainARD,錨蛋白重復序列區)息息相關。作者團隊首先以特定結構域(ARD)為靶標,采用熱點中心策略,計算設計了幾十個可能與ARD結合的候選多肽;然后通過Rosetta軟件包的從頭預測,檢查設計多肽是否能如最初設計那樣折疊,得到了數個再折疊性能較好的候選多肽。在大腸桿菌中表達這些設計多肽后,作者團隊在多層面開展了對設計多肽分子的功能驗證: 在蛋白層次,采用表面等離子共振技術,驗證調控分子與TRP通道上目的結構域的相互作用,并測量親和力。在細胞層次,通過超分辨率成像、FRET成像技術,驗證了調控分子與TRPV1通道的結合,并進一步采用鈣成像、膜片鉗電生理手段驗證設計分子對TRPV1通道功能的正向調控。隨后在大鼠熱痛模型中進行鎮痛活性評價,看到了明顯的鎮痛效果。

傳統的基于大規模篩選的藥物發現耗時長,代價高,成功率低,而高分辨三維結構的出現讓我們有機會基于靶點蛋白質的結構進行調控分子的理性設計,這樣的方法用時短,經濟成本低且成功率較傳統的方法有了明顯的提升。該研究在靶向特定結構域的調控分子設計上作出了嘗試,將為以TRPV1通道為靶點的鎮痛藥物開發提供理論支持與新思路。而作者團隊采用的熱點中心計算設計策略,也可以廣泛適用于針對各種三維結構已知的蛋白質藥物靶點的調控分子開發。

加拿大pc生物物理系博士研究生徐麗臻及張恒為該論文的共同第一作者,加拿大pc生物物理學系的楊帆研究員,美國加州大學戴維斯分校的鄭劼教授,青島大學田玉花博士該論文的共同通訊作者。

課題由阿里云提供算力支持,是加拿大pc-阿里巴巴未來數字醫療聯合研究中心青年科學家工作室的首批支持項目,同時感謝加拿大pc信息技術中心提供的技術服務。

原文鏈接:

加拿大pc