囊性纖維化，一種遺傳性外分泌腺疾病，是由編碼囊性纖維化跨膜電導調節因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR）的基因發(fā)生突變，導致CFTR蛋白缺陷或缺失引起的。
CFTR蛋白作為一種跨膜通道，有助于調控液體運輸和粘液濃度，它通過(guò)控制Cl-和HCO3-等單價(jià)陰離子在細胞內外的流動(dòng)來(lái)維持表皮細胞內外離子和水分的代謝平衡。
囊性纖維化廣泛影響多種器官和系統的功能，包括呼吸系統、消化系統以及生殖系統等。其最普遍的癥狀是由于水分和離子代謝失調所導致的各種管腔中的黏液積累，比如，胰 腺中黏液積累會(huì )引起消化液分泌障礙，更嚴重的是，肺部的粘液積累會(huì )誘發(fā)細菌感染和呼吸衰竭。
這種疾病最常見(jiàn)于高加索人，平均每3000個(gè)新生兒中有1人患病。隨著(zhù)診療手段的提高，現中國的確診病例數較之前明顯上升。
目前對囊性纖維化的治療旨在使用CFTR矯正劑（通過(guò)促進(jìn)CFTR成熟以及蛋白質(zhì)向細胞膜運輸的過(guò)程來(lái)修復CFTR缺陷蛋白的加工）或CFTR增效劑（通過(guò)活化的CFTR離子通道，增強離子電流）來(lái)恢復CFTR蛋白功能。
首個(gè)被FDA批準上市的小分子增效劑Ivacaftor由Vertex制藥公司研發(fā)生產(chǎn)，它對30多個(gè)CFTR蛋白的致病突變皆有治療效果。另一個(gè)由Galapagos公司研發(fā)的增效劑GLPG1837，目前正在臨床研究階段。
然而，所有這些CFTR調節劑都是通過(guò)高通量篩選和反復的藥物化學(xué)優(yōu)化發(fā)現的。由于缺乏結構信息，合理的藥物開(kāi)發(fā)難以實(shí)現。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，6月21日，洛克菲勒大學(xué)陳鈺教授研究團隊在Science上報道了Ivacaftor、GLPG1837與CFTR蛋白復合物在離子通道預開(kāi)放狀態(tài)下的高分辨率冷凍電鏡結構（3.3?），清晰地展示了這兩個(gè)增效劑在CFTR蛋白上的結合位點(diǎn)，從而揭示CFTR蛋白上的精確靶點(diǎn)，以指導下一代藥物的研發(fā)。
首先，在對Ivacaftor與CFTR蛋白之間特殊分子相互作用的研究中，研究人員發(fā)現Ivacaftor結合在CFTR蛋白和細胞膜之間，與跨膜螺旋TM4、TM5和TM8形成的裂縫對接，結合位點(diǎn)與TM8的鉸鏈區重合。
Ivacaftor結合在CFTR蛋白和細胞膜之間。(A) CFTR蛋白結合Ivacaftor (品紅色)的總體結構。TMD:跨膜結構域，NBD：核苷酸結合域；(C、D) Ivacaftor結合部位放大圖。Ivacaftor將其一半的表面暴露于磷脂雙分子層。TM8被表示為圓柱狀。
值得注意的是，為了適應細胞膜的疏水環(huán)境，大多數膜蛋白往往利用連續的跨膜α螺旋實(shí)現跨膜定位。這是因為α螺旋可以將氨基酸殘基疏水表面暴露出來(lái)的同時(shí)隱藏其具有親水特性的區域，從而維持膜蛋白在磷脂雙分子層疏水環(huán)境中的能量狀態(tài)。
陳玨教授團隊認為，TM8這種非連續的跨膜α螺旋結構雖然降低了其在細胞膜中的穩定性，但是隨之產(chǎn)生的柔性和暴露的親水基團，很可能是CFTR蛋白發(fā)揮離子通道功能所必需的，這也是它在不同功能狀態(tài)下能夠產(chǎn)生巨大的構象變化從而調控離子通道開(kāi)關(guān)的結構基礎。
由此，他們推測Ivacaftor的結合位點(diǎn)可通過(guò)穩定TM8在離子通道開(kāi)放狀態(tài)下的構象，起到延長(cháng)CFTR蛋白開(kāi)放時(shí)間的作用。
接下來(lái)，為了驗證該結合位點(diǎn)的保守性，研究人員進(jìn)一步解析了CFTR蛋白與另一種增效劑GLPG1837的復合物結構。有趣的是，雖然GLPG1837的分子結構與Ivacaftor并不相似，但其在CFTR蛋白上的結合位點(diǎn)卻與Ivacaftor完全一致（盡管方向和形狀不同）。
增效劑與CFTR蛋白結合位點(diǎn)示意圖。無(wú)增效劑（左），與Ivacaftor結合（中），與GLPG1837結合（右）。
最后，研究人員將CFTR蛋白上參與增強劑結合的重要氨基酸殘基進(jìn)行了定點(diǎn)突變并分析了這些氨基酸殘基在兩種小分子藥物結合中的作用。
陳鈺教授說(shuō)：“這些化合物由兩家不同的公司開(kāi)發(fā)，具有非常不同的化學(xué)性質(zhì)，但它們設法進(jìn)入同一個(gè)位點(diǎn)。這告訴我們，這是一個(gè)十分敏感、重要的蛋白質(zhì)區域。”
由此可見(jiàn)，研究人員發(fā)現的這一結合位點(diǎn)很可能是一個(gè)針對CFTR蛋白藥物的普遍靶點(diǎn)。
有了這些數據，研究人員希望能夠制造出在保持離子通道開(kāi)放方面表現更好的，直接靶向鉸鏈區的化合物。
當陳鈺教授及其同事致力于開(kāi)發(fā)新藥時(shí)，她鼓勵其他研究人員也這樣做。 “我們把原始數據放到網(wǎng)上，歡迎任何人使用，” 陳鈺教授說(shuō)，“因為如果使用它們的研究人員越多，可用的治療選擇就越多，由此，價(jià)格將下降，更多的人將得到幫助。”
感謝陳玨教授團隊分享他們的研究成果。囊性纖維化患者的中位死亡年齡在20歲左右，希望在科學(xué)家們共同努力下，這些患者能早日迎來(lái)更有效的藥物，迎接生命的曙光。
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