Nature：揭示蛋白CFTR的作用机制，有助于更好地治疗囊性纤维化

在一项新的研究中，来自美国圣犹大儿童研究医院和洛克菲勒大学的研究人员结合他们的专业知识，对一种称为囊性纤维化跨膜调节因子（cystic fibrosis transmembrane conductance regulator, CFTR）的蛋白有了更好的了解。CFTR突变导致囊性纤维化，这是一种无法治愈的致命疾病。相关研究结果于2023年3月22日在线发表在Nature期刊上，论文标题为“CFTR function, pathology and pharmacology at single-molecule resolution”。

目前使用一种叫做增效剂（potentiator）的药物的疗法可以增强一些患者的CFTR功能；但是增效剂是如何起作用的还不太清楚。这一新的发现从机理上揭示了CFTR的功能，以及CFTR致病突变和增效剂如何影响这些功能。有了这些信息，科学家们也许能够设计出更有效的囊性纤维化治疗方法。

囊性纤维化是一种遗传性疾病，导致人们产生过于粘稠的粘液。这可能会堵塞呼吸道并导致肺部损伤，以及引起消化问题。在美国，这种疾病影响到大约35000人。CFTR是一种维持上皮和其他膜上盐分和液体正确平衡的阴离子通道。CFTR突变是导致囊性纤维化的原因，但这些突变会以不同的方式影响CFTR的功能。因此，一些用于治疗该疾病的药物只能部分地恢复特定突变形式的CFTR的功能。

以前在洛克菲勒大学的Jue Chen博士及其同事们的实验室里捕捉到的CFTR结构显示了两种不同的构象（形状）。这些静态结构图片使得人们能够看到这种离子通道在开放或关闭时的情况，但对它的不同状态之间的转换还没有完全了解。

因此推断CFTR的构象变化对打开和关闭这种离子通道很重要，这也是几十年来一直在分析的CFTR的电生理特性的原因。这些发现激发了人们对直接实时可视化CFTR结构转换的兴趣，并研究构象变化如何受到致病突变和用于增强患者CFTR功能的药物的影响。

论文共同通讯作者、圣犹大儿童研究医院结构生物学系的Scott Blanchard博士说，“通过这次合作，我们有机会真正深入了解结构和功能之间的关系。我们实验室之前在核糖体和G蛋白偶联受体方面的研究工作表明这是可能的，但很少有单一蛋白比CFTR更与疾病的治疗相关，因为囊性纤维化的治疗旨在改善这种蛋白突变形式的缺陷。能够进行生物物理测量并获得这些类型的定量见解是单分子成像的进步之一，它从未停止让我感到惊讶。”

合作带来的突破

不同研究团队的互补性专长是这些作者取得发现的关键。通过电生理学和结构研究，来自洛克菲勒大学的研究团队（下称洛克菲勒团队）能够指导来自圣犹大儿童研究医院的研究团队（下称圣犹大团队）放置单分子探针。通过利用单分子荧光共振能量转移（smFRET），圣犹大团队能够对CFTR的移动部件提供新的见解。

通过整合低温电镜、电生理学和smFRET，圣犹大团队能够得出更好地理解CFTR如何起作用所需的联系。

论文第一作者、洛克菲勒大学的Jesper Levring说，“通过了解CFTR的结构和行为，我们有可能帮助囊性纤维化患者。使用这些方法---单通道电生理学和smFRET---一次一次地观察这些分子，我们可以将这种离子通道的功能与构象变化联系起来，并将它与基础结构生物学联系起来。”

图片来自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05854-7。

这些作者发现，CFTR表现出一种分层的门控机制。CFTR的两个核苷酸结合结构域在该离子通道开放前会发生二聚化。这种二聚体化的离子通道内的形态变化与ATP水解（一种释放能量的反应）有关，用于调节氯离子的传导。

这一机制见解的重要性通过发现增效剂药物依伐卡托（Ivacaftor）和GLPG1837在CFTR的两个核苷酸结合域发生二聚化时通过增加孔开放来增强该离子通道的活性而得到进一步揭示。导致囊性纤维化的CFTR突变可以降低这种二聚化的效率。这些见解将有助于为寻找更有效的临床治疗方法提供信息。

Chen说，“这项新的研究最令人满意的地方是，我们解答了一个关于CFTR如何起作用的问题，这个问题多年来一直是该领域的一个争论主题。每种单独的方法都有局限性，所以你可以有好的数据，但仍然没有答案。通过结合多种方法，我们得到了一种统一的机制，让我们深入了解这个分子是如何起作用的。有了这样的了解，我们就可以测试突变或药物如何影响功能，这最终是我们获得更好的治疗方法的方式。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Jesper Levring et al. CFTR function, pathology and pharmacology at single-molecule resolution. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-05854-7.