底物和抑制劑對多藥轉運蛋白Pglycoprotein的變構調節機制

　　在一項新的研究中，來自美國范德堡大學和弗吉尼亞大學的研究人員發現了一種蛋白泵如何區分它將細胞中排出的化學物和阻止它發揮作用的抑制劑。相關研究結果近期發表在Science期刊上，論文標題為“Mechanism of allosteric modulation of P-glycoprotein by transport substrates and inhibitors”。

　　這種稱為P-糖蛋白（P-glycoprotein）的蛋白泵通過去除潛在有害的化學物來保護細胞，但當這些化學物是治療性藥物時，它導致抗藥性---這對癌癥治療造成了特殊的問題。這些新發現可能指導開發更有效的抑制劑來阻止癌細胞對化療藥物產生抗藥性。

　　論文通訊作者、分子生理學與生物物理學教授Hassane Mchaourab博士說，這項新的研究解答了關于P-糖蛋白的一個存在已久的問題。

　　Mchaourab將P-糖蛋白描述為一個由兩部分組成的分子機器：一個燃燒ATP的引擎和一個為底物（一種由這種轉運蛋白移動的分子）提供通道的跨膜結構域。這種引擎使用的ATP能量驅動了將化學物從細胞中移出的構象變化。

　　Mchaourab說，目前尚不清楚的是“這種ATP引擎如何知道一種化學物在一分子‘英里’外的跨膜區結合。”

　　“在人類中，這種轉運蛋白會將包括抗生素、抗癌化療藥物、抗抑郁藥和阿片類藥物在內的化學物從細胞中排出，是什么讓一種分子成為這種非常多樣化的蛋白泵的底物，又是什么讓一種分子成為這種蛋白泵的抑制劑呢？”

　　這項新的研究遵循了Mchaourab及其同事們兩年前在Nature期刊上報道的研究結果（Nature, 30 March 2017, doi:10.1038/nature21414）。P-糖蛋白具有兩個ATP燃燒位點，而且這些研究人員通過使用光譜法（雙電子-電子共振，DEER）發現這兩個位點在結構上是不對稱的---先是一個位點燃燒ATP，然后第二個位點燃燒ATP。他們還發現這兩個連續步驟與底物識別有關。

　　Mchaourab記得范德堡大學醫學中心科學作家Bill Snyder提問了一個讓他停下來思考的問題 ---為什么大自然會設計一個不對稱的引擎？

　　Mchaourab說，“我回答說，這可能是這種轉運蛋白知道它是否結合底物的方式。但是，我們已完成了所有的在底物存在時的實驗---這是因為這就是這種轉運蛋白的工作方式。”這些研究人員沒有研究在底物不存在的情況下ATP燃燒位點的結構。

　　Mchaourab回憶道，“那天是星期五，那天晚上我醒來時想到了Bill提出的問題。在星期一，我讓Reza（一名博士后研究員）重復這些實驗并移除底物。瞧，這種引擎變得對稱---哪個位點首先燃燒ATP并不重要。”

　　在使用P-糖蛋白第三代抑制劑的研究中，這些研究人員發現這些抑制劑也穩定了這種引擎的對稱狀態，但與空狀態（即不存在抑制劑也不存在底物時的狀態）不同。

　　Mchaourab說，“抑制劑會纏住這種轉運蛋白，讓它無法進入不對稱狀態，也就無法進行作功行程---這種轉運蛋白從我們稱之為向內的方向移動到向外的方向并釋放出底物。”

　　了解底物和抑制劑穩定的P-糖蛋白的不同構象將使得篩選更有效的抑制劑分子成為可能。這也可能有助于科學家們理解為何現有的抑制劑在臨床試驗中表現不佳。

　　Mchaourab說，“P-糖蛋白是如此重要的臨床靶點。如今，我們意識到抑制劑也作用于這種引擎的不對稱狀態。P-糖蛋白知道它是否是空的，或者它是否通過調節不對稱水平來確定是與底物結合，還是與抑制劑結合。”