杨帆课题组Advanced Science发文计算设计靶向TRPV1通道的正向变构调节剂

来源 :基础医学系    发布时间 :2021-07-19    浏览次数 :1131

随着以单颗粒冷冻电镜成像为代表的结构生物学技术的飞速发展,越来越多的重要蛋白质的三维结构得到了解析。以离子通道膜蛋白为例,目前几乎每个主要离子通道家族都有至少一个成员的结构得到解析。那么,如何用好众多的高分辨三维结构,推动靶向重要蛋白质的药物研发,就是一个重要的研究方向。

2021711日,来自浙江大学基础医学院生物物理学系的杨帆团队、美国加州大学戴维斯分校的郑劼团队和青岛大学药学院的田玉花团队在Advanced Science杂志上发表研究论文 “De novo design of peptidic positive allosteric modulators targeting TRPV1 with analgesic effects” ,基于TRPV1离子通道的高分辨率三维结构,计算设计了靶向该通道的多肽正向变构调节剂,通过调控TRPV1通道的配体激活,在动物实验中发挥镇痛效果。

疼痛严重地影响人们的身心状态与生活质量,同时给社会带来极大的医疗开支负担。因此,研究疼痛的分子机制以及开发安全有效的镇痛药物有着迫切的需求。作为疼痛与外界伤害性刺激的感受器,细胞膜上的TRPV1等离子通道通过控制离子的跨细胞膜流动,将疼痛与刺激信号转化为神经电信号,是有效的镇痛药物靶点。

TRPV1离子通道与痛觉感受密切相关,有趣的是无论是TRPV1的激动剂还是拮抗剂,一直都有着明显的镇痛作用,近些年来,TRPV1一直是被赋予了高期望值的、研发镇痛药物的靶点之一。然而,由于TRPV1通道同样参与生物体温调节过程,是人体内重要的高温感受器,所以单纯地降低该通道的活性将引起体温升高、温度感觉改变等副作用,故很多通过大规模筛选得出的TRPV1抑制剂在临床试验中纷纷失败。因此,如何在开发以TRPV1通道为靶点的镇痛药物中避免这些副作用就是一个亟待解决的科学问题。基于已有的研究基础,作者团队设计了数个正向变构调节剂,增加通过TRPV1通道的钙离子内流,可逆性消除表达TRPV1的疼痛感受神经元末梢,从而达到镇痛的目的。

TRPV1是一个钙依赖性脱敏的阳离子通道,而其脱敏与TRPV1胞内的Ankyrin Repeat DomainARD,锚蛋白重复序列区)息息相关。作者团队首先以特定结构域(ARD)为靶标,采用热点中心策略,计算设计了几十个可能与ARD结合的候选多肽;然后通过Rosetta软件包的从头预测,检查设计多肽是否能如最初设计那样折叠,得到了数个再折叠性能较好的候选多肽。在大肠杆菌中表达这些设计多肽后,作者团队在多层面开展了对设计多肽分子的功能验证:在蛋白层次,采用表面等离子共振技术,验证调控分子与TRP通道上目的结构域的相互作用,并测量亲和力。在细胞层次,通过超分辨率成像、FRET成像技术,验证了调控分子与TRPV1通道的结合,并进一步采用钙成像、膜片钳电生理手段验证设计分子对TRPV1通道功能的正向调控。随后在大鼠热痛模型中进行镇痛活性评价,看到了明显的镇痛效果。

传统的基于大规模筛选的药物发现耗时长,代价高,成功率低,而高分辨三维结构的出现让我们有机会基于靶点蛋白质的结构进行调控分子的理性设计,这样的方法用时短,经济成本低且成功率较传统的方法有了明显的提升。该研究在靶向特定结构域的调控分子设计上作出了尝试,将为以TRPV1通道为靶点的镇痛药物开发提供理论支持与新思路。而作者团队采用的热点中心计算设计策略,也可以广泛适用于针对各种三维结构已知的蛋白质药物靶点的调控分子开发。

浙江大学基础医学院生物物理系博士研究生徐丽臻及张恒为该论文的共同第一作者,浙江大学基础医学院生物物理学系的杨帆研究员,美国加州大学戴维斯分校的郑劼教授,青岛大学田玉花博士该论文的共同通讯作者。

课题由阿里云提供算力支持,是浙江大学-阿里巴巴未来数字医疗联合研究中心青年科学家工作室的首批支持项目,同时感谢浙江大学信息技术中心提供的技术服务。

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202101716