二甲雙胍是臨床治療糖尿病的一線用藥，它主要通過表達(dá)于肝臟的細(xì)胞的有機(jī)陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OCT1進(jìn)入肝臟細(xì)胞，激活A(yù)MPK信號通路，抑制肝糖原的輸出。近期研究表明二甲雙胍在心血管保護(hù)、抗腫瘤和抗衰老中也發(fā)揮顯著作用。二甲雙胍轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OCT1在肝臟攝取帶有正電的內(nèi)源性和外源性有機(jī)陽離子過程中起著核心作用，它不僅影響代謝過程，還對藥代動力學(xué)和藥效動力學(xué)有著重要影響。在2023年Seok-Yong Lee組，和Alastair G. Stewart組分別解析了引入熱穩(wěn)定性突變的OCT1/2cs向外開口和人源有機(jī)陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（hOCT1）向內(nèi)開口的構(gòu)象的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)信息。但是目前仍然缺乏hOCT1底物轉(zhuǎn)運(yùn)過程中完整構(gòu)象變化的結(jié)構(gòu)信息，來揭示底物轉(zhuǎn)運(yùn)與構(gòu)象重排的分子機(jī)理。
2024年3月15日，清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇課題組、陳立功課題組與生命科學(xué)學(xué)院閆創(chuàng)業(yè)課題組聯(lián)合在《細(xì)胞發(fā)現(xiàn)》（Cell Discovery）發(fā)表了題為“Structural insights into human organic cation transporter 1 transport and inhibition” (人源有機(jī)陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白hOCT1轉(zhuǎn)運(yùn)與抑制的結(jié)構(gòu)研究）的重要成果。該工作通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)和生物化學(xué)相結(jié)合的手段闡明hOCT1轉(zhuǎn)運(yùn)底物二甲雙胍的機(jī)制，揭示了螺內(nèi)酯及甾醇類小分子的抑制機(jī)制，為精準(zhǔn)醫(yī)療的研究和靶向OCTs的藥物設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
在本研究中，作者報道了hOCT1結(jié)合底物二甲雙胍向外開口（Outward open）、向外關(guān)閉(Outward occluded)、向內(nèi)關(guān)閉狀態(tài)(Inward occluded)，結(jié)合納米抗體Nb5660、底物不結(jié)合的三種不同的向內(nèi)開口狀態(tài)（Inward facing partially open 1.partially open 2 and fully open），以及結(jié)合抑制劑螺內(nèi)酯開口朝向胞外和胞內(nèi)構(gòu)象（Outward facing and inward facing）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，分辨率范圍從2.98 ?至4.14 ? （圖1）。
圖1 hOCT1底物轉(zhuǎn)運(yùn)與抑制劑結(jié)合的結(jié)構(gòu)信息
本研究通過冷凍電鏡技術(shù)，解析了hOCT1與二甲雙胍復(fù)合物在不同構(gòu)象狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)，觀測到了hOCT1跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)二甲雙胍的全過程（圖2）。結(jié)合放射性底物攝取實(shí)驗(yàn)，揭示了hOCT1介導(dǎo)有機(jī)陽離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的動態(tài)過程，并為闡明其抑制機(jī)制提供了直接的分子水平證據(jù)。在多構(gòu)象的結(jié)構(gòu)比對中，該研究總結(jié)出SLC22底物轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，由YER motif參與的構(gòu)象變化機(jī)制，并解釋了部分由hOCT1基因多態(tài)性所引起底物轉(zhuǎn)運(yùn)能力降低的可能機(jī)制。此外，該研究通過解析臨床上用于治療水腫的螺內(nèi)酯與hOCT1復(fù)合物的結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合底物轉(zhuǎn)運(yùn)抑制實(shí)驗(yàn)，揭示其底物轉(zhuǎn)運(yùn)抑制機(jī)理，同時分析了甾醇類分子抑制OCTs的共同規(guī)律與差異。對于藥物-藥物相互作用、藥代動力學(xué)與藥效動力學(xué)的研究提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
圖2 hOCT1跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)二甲雙胍的過程
清華大學(xué)藥學(xué)院劉翔宇研究員、陳立功研究員與生命科學(xué)學(xué)院閆創(chuàng)業(yè)研究員為本文共同通訊作者。清華大學(xué)藥學(xué)院博士生張書豪為本文的第一作者。清華大學(xué)冷凍電鏡平臺與水木未來冷凍電鏡平臺為冷凍電鏡數(shù)據(jù)收集提供了幫助。
本課題的計(jì)算工作得到清華大學(xué)高性能計(jì)算平臺、國家蛋白質(zhì)設(shè)施實(shí)驗(yàn)技術(shù)中心（北京）的支持，生化實(shí)驗(yàn)的工作得到清華大學(xué)同位素實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)晶體學(xué)平臺的支持。本研究獲得了生物結(jié)構(gòu)前沿中心中心、生命科學(xué)聯(lián)合中心，國家自然科學(xué)基金委的支持；并且還得到了中國科學(xué)技術(shù)部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41421-024-00664-1
