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Nature子刊:揭示人源葡萄糖转运子
SGLT1
的抑制机制
2022-11-21
·
生物谷
钠-葡萄糖共转运蛋白(SGLT)是人体中负责葡萄糖重吸收的重要转运蛋白,能够利用钠离子的电化学势进行葡萄糖的逆浓度梯度转运
钠-葡萄糖共转运蛋白(SGLT)是人体中负责葡萄糖重吸收的重要转运蛋白,能够利用钠离子的电化学势进行葡萄糖的逆浓度梯度转运1。在人体中的SGLT蛋白家族中,
SGLT1
和
SGLT2
两个蛋白对葡萄糖的吸收和稳态最为关键。其中,
SGLT1
由
SLC5A1
基因编码,主要在小肠和肾脏近曲小管S3节段表达4,负责肠道中食物来源的葡萄糖及原尿中残余葡萄糖的重吸收,并且还有水通道的功能5。
SGLT1
的失活突变会导致肠道葡萄糖-半乳糖吸收不良症1;
SGLT2
由
SLC5A2
基因编码,主要在肾脏近曲小管S1和S2节段表达,负责原尿中90%的葡萄糖重吸收2,
SGLT2
的失活突变会导致家族性肾尿糖2,3。
作为
II型糖尿病
治疗的重要靶点,利用
SGLT2
抑制剂来治疗
糖尿病
的思路就是通过抑制
SGLT2
的糖转运功能,使得
SGLT2
无法从原尿中重吸收葡萄糖,导致多余的葡萄糖从尿液中排出以达到间接降低血糖的目的。已经有很多
SGLT2
抑制剂如
恩格列净(Empagliflozin)
、
卡格列净(Canagliflozin)
、
达格列净(Dapagliflozin)
6等小分子药物被研发出来用于临床治疗
II型糖尿病
。此外,最近的临床试验表明,与单独使用
SGLT2
抑制剂相比,同时抑制
SGLT1
和
SGLT2
在治疗
II型糖尿病
中可能会更有优势7,并且靶向
SGLT1
的抑制剂还有治疗便秘的效果8。
SGLT的抑制剂均是以天然产物根皮苷的结构为基础优化产生,根据它们的选择性可以将这些抑制剂分为三类:SGLT2特异性抑制剂,如
恩格列净(Empagliflozin)
,
卡格列净(Canagliflozin)
,
达格列净(Dapagliflozin)
等;SGLT1特异性抑制剂,如
KGA-2727
,
mizagliflozin
以及
SGLT1
-
SGLT2
非选择性抑制剂,如
LX2761
,
索格列净(sotagliflozin)
等。因此,了解这些药物是如何抑制SGLT的功能对于药物开发和优化具有重要意义。
2021年12月,北京大学未来技术学院分子医学研究所、北大-清华生命科学联合中心陈雷研究员研究组在Nature杂志首次报道了人源
SGLT2
-
MAP17
复合物与抑制剂
恩格列净
结合的结构9,同时,美国斯坦福大学冯亮课题组也在同期杂志上发表了人源
SGLT1
无配体结合状态的向内开口的结构10。但是
SGLT1
与抑制剂结合的模式,以及某些SGLT1特异性抑制剂的选择性机制仍然是未知的。
陈雷研究组在Nature Communications杂志发表了题为“Structural mechanism of
SGLT1
inhibitors”的研究论文,该研究通过单颗粒冷冻电镜解析了人源
SGLT1
-MAP17复合物与抑制剂LX2761结合的高分辨结构。
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来源: 生物谷
图1.
SGLT1
与
MAP17
相互作用及hSGLT1-
MAP17
复合体的电子密度图
SGLT1
与
SGLT2
的分子量接近,序列相似性较高,单独解析
SGLT1
蛋白的结构具有一定的挑战性。作者发现
SGLT1
与
SGLT2
的TM13上与
MAP17
相互作用的氨基酸高度一致,推测
SGLT1
可能也可以与
MAP17
形成复合体。随后,这个猜想得到了实验的证实。在此基础上,作者利用了在解析
SGLT2
结构中发明的“三接头策略”来进行
SGLT1
结构的解析:作者将GFP融合在
SGLT1
的胞内区,将GFP纳米抗体融合在
MAP17
胞内端11,获得了具有功能同时又适合冷冻电镜研究的蛋白。作者通过冷冻电镜单颗粒分析方法解析了人源
SGLT1
-
MAP17
复合体与抑制剂LX2761结合状态的高分辨率结构(图1)。
通过结构比较发现,
SGLT1
与
SGLT2
的结构十分相似,具有相似的结构特征和拓扑特征。与无配体结合状态的
SGLT1
不同,抑制剂
LX2761
将
SGLT1
锁定在向外开放的构象(图2)。LX2761的糖基头部结合在SGLT1的底物结合位点,通过疏水相互作用与底物结合位点的氨基酸相互作用,长链尾巴向外延伸,阻塞胞外区的通道入口。作者将
SGLT1
的L274和D454分别突变为丙氨酸发现,突变的
SGLT2
降低了和抑制剂的结合,减弱了抑制剂的抑制作用。
Preview
来源: 生物谷
图2. 抑制剂LX2761的结合位点
为了解释
SGLT1
特异性抑制剂mizagliflozin的选择性机制,作者将
SGLT1
和
SGLT2
的抑制剂结合口袋进行了比较,发现在
SGLT1
中的结合口袋要略大于
SGLT2
,而这一差异来源于
SGLT1
第160位氨基酸的差异:
SGLT1
第160位丙氨酸对应于
SGLT2
的第157位缬氨酸。作者通过分子动力学模拟对
mizagliflozin
与
SGLT1
的结合模式进行了模拟,并将模拟结果与
SGLT2
的结构进行了比对。结果发现,由于LX2761的中央苯环基团被
mizagliflozin
的异丙基吡唑基取代,在
SGLT2
的V157位氨基酸处形成了空间冲突,这可能导致了
mizagliflozin
对
SGLT2
的效力降低。因此,作者分别构建了
SGLT1
的A160V和
SGLT2
的V157A突变体,发现在
SGLT1
中将A突变为V会降低
mizagliflozin
的效力,而在
SGLT2
中将V突变为A则会提高
mizagliflozin
的效力。因此,作者鉴定了
SGLT1
的A160为影响
Mizagliflozin
选择性的主要位点之一。
同时,由于
SGLT1
也可以作为水通道发挥作用,作者也对抑制状态下的
SGLT1
结构进行了水通道的计算,结果发现在被抑制剂抑制的状态下,
SGLT1
中的水通道也被LX2761所阻塞,其通道大小无法通过水分子。
结合先前发表的无配体结合状态的
SGLT1
的结构,作者也将向内开放的
SGLT1
与向外开放的
SGLT1
结构进行了比对,描绘了
SGLT1
在开放和关闭状态之间的构象变化。其中,作者发现有些螺旋的位置基本不发生变化,即TM1,2,6,7,11,12,13,作者把这些螺旋命名为恒定模块(constant module);其他螺旋则发生较大的构象变化,包括TM0,3,4,5,8,9,10,这些螺旋被命名为运动模块(moving module)。其中,TM10上F453的运动介导了胞外门控的开放,TM3上的Y290介导了胞内门控的开放。
综上所述,作者通过冷冻电镜对
SGLT1
-
MAP17
复合物和抑制剂的结构进行解析,发现抑制剂将
SGLT1
锁定在向外开放状态,确定了
SGLT1
抑制剂的结合位点和结合模式,在一定程度上解释了
SGLT1
选择性抑制剂的机制,为进一步优化
SGLT1
和SGLT2特异性抑制剂提供了结构基础。
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机构
-
适应症
2型糖尿病
糖尿病
靶点
SGLT1
SGLT2
PDZK1IP1
药物
恩格列净
卡格列净
达格列净
[+4]
标准版
¥
16800
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