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【计算材料学】2023年高浏览量文章精选
来自公众号:DeDrug
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研究背景
瞬态受体电位 (TRP) 通道TRPV4是一种多模态细胞传感器,可被温和的温度、细胞肿胀、机械应力和小分子配体激活,并参与产热、血管张力调节、骨稳态、肾和肺功能的调节。TRPV4通道的失调与许多疾病状态有关,包括炎症、呼吸系统疾病、代谢性疾病、皮肤病、骨骼疾病以及神经肌肉疾病。与TRPV家族的其他成员一样,TRPV4与人类疾病相关的突变数量最多。迄今为止,只有一种TRPV4拮抗剂GSK2798745已进入临床试验(NCT02497937)。
目前有多家国际知名制药企业如:Bayer,GSK,AZ都在积极地针对TRPV4开发小分子候选药物,并且推进到临床试验Ⅰ期、Ⅱ期。然而截止目前,人们对于TRPV4拮抗的小分子如何调控TRPV4通道机制仍然知之甚少。
近年来发表了多篇有关TRPV4结构解析的文章,通过分析TRPV4与小分子拮抗剂的结合口袋有助于开发TRPV4的创新药物。本公众号推文的作者将代表性工作进行凝练总结,供读者了解该领域进展。
研究内容
1. 代表性研究1
2023年杜克大学的Seok-Yong Lee教授团队在Nature Communications发表了研究论文“TRPV4-Rho GTPase complex structures reveal mechanisms of gating and disease”,揭示了人类TRPV4与RhoA复合物在无配体、拮抗剂 (GSK2798745) 结合的关闭状态和激动剂 (GSK1016790A,4α-PDD) 结合的开放状态下的低温电镜结构,并且表明RhoA是TRPV4的辅助亚基,RhoA与TRPV4的相互作用限制了TRPV4通道激活时的动态变化[1]。文章发现GSK279和GSK101与VSLD空腔中的一组共同残基结合,却对TRPV4产生了相反的作用。研究人员对其进行了进一步的探讨,发现从GSK279结合的闭合状态到GSK101结合的开放状态,S2-S3连接器经历了从环到螺旋的转变,从而改变了VSLD、TRP结构域和CD之间的相互作用网络。在闭合状态下,VSLD与TRP结构域解耦;而在开放状态下,S2-S3将TRP与VSLD耦联。因此在TRPV4中,激动剂或拮抗剂结合到同一腔的相反作用源于VSLD-TRP-CD亚结构域的配体依赖性耦联或解耦。文章还提出了RhoA与TRPV4的相互作用模型,当膜锚定的RhoA与细胞质ARD上的TRPV4结合时,它会对ARD施加类似于钳的力,从而抑制与TRPV4激活相关的ARD运动,从而使TRPV4抑制。
图1 无配体状态的TRPV4与拮抗剂GSK2798745、激动剂GSK1016790A、激动剂4α-PDD在TRPV4通道中的结合
2. 代表性研究2
美国哥伦比亚大学生物化学与分子生物物理系Alexander I. Sobolevsky团队也在Nature Communications发表了研究论文“Structure of human TRPV4 in complex with GTPase RhoA”。该篇文章揭示了TRPV4激动剂4α-PDD和拮抗剂HC-067047的结合位点,并表明与激动剂的结合导致孔打开,而通道抑制涉及成孔螺旋S6中π到α的转变。同时文章也阐明了hTRPV4和RhoA之间的相互作用界面,以及该界面上参与TRPV4致病突变的残基。该篇文章的结果与上一篇的发现基本一致,无论是拮抗剂还是激动剂的结合位点均位于VSLD口袋,这表明VSLD口袋对TRPV4的开关至关重要[2]。
图2 hTRPV4与激动剂4α-PDD配合物的结构(左);hTRPV4与拮抗剂HC-067047配合物的结构(右)
3. 代表性研究3
同年7月浙江大学杨帆课题组在Cell Discovery发文“Structural basis of ligand activation and inhibition in a mammalian TRPV4 ion channel”揭示哺乳动物TRPV4离子通道与小分子激动剂GSK101、Agonist-1和抑制剂钌红(Ruthenium Red,RR)的结合位点和引起该通道开放与关闭的机制。该篇文章中研究人员首先对TRPV4 apo状态进行分析,发现哺乳动物小鼠TRPV4与此前报道的爪蟾TRPV4有明显差异,表现在跨膜区的多个螺旋的位置与构象上;且和爪蟾TRPV4相比,小鼠TRPV4通道的S4-S5 linker中包含helix螺旋而不是由单纯的loop组成。其次作者解析了小分子激动剂GSK101、Agonist-1 与TRPV4的复合物结构,发现GSK101和Agonist-1均结合在S1至S4之间形成的朝向细胞质的口袋(VSLD口袋)。同时,文章解释了其激动机制,加入激动剂后,TRPV4结构中的S4-S5 linker发生了约5埃的向上移动,引起其背后的S6也发生移动,进而打开TRPV4通道。该篇文章还解析了GSK101-RR-mTRPV4的复合物结构,该研究团队发现,GSK101也以与mTRPV4-GSK101相似的构象结合到VSLD空腔上,钌红可以结合在TRPV4通道的选择性滤器中,从而堵塞该通道,使得离子无法流过,从而发挥抑制剂的效果[3]。
图3 小鼠TRPV4与激动剂GSK101、Agonist-1和抑制剂钌红(Ruthenium Red,RR)配体结合的复合物结构
4. 代表性研究4
2024年4月雷晓光老师团队在Advanced Science上发表的“Structural Pharmacology of TRPV4 Antagonists”阐明了离子通道蛋白TRPV4小分子拮抗剂A1及A2的结构药理学基础。化合物A1与GSK279表现出类似的结合模式,拮抗剂A1的结合使得TRPV4发生了较大的挤压变形,此现象在其他TRPV家族成员中有报道,但在TRPV4中是首次被发现。文章还证明了化合物A2可以结合到VSLD扩展口袋上,这与典型的VSLD口袋不同。相对于A1,其结合位置明显靠近蛋白外侧,被称为VSLD的扩展口袋[4]。
图4 拮抗剂A1在hTRPV4中的结合位点(上);拮抗剂A2在hTRPV4中的结合位点(下)
总结
以上四篇文章通过单颗粒冷冻电镜技术解析了TRPV4与小分子复合物的结构;通过分子动力学模拟发现这些小分子可以稳定结合在口袋中;而通过电生理实验,发现对该口袋附近的氨基酸进行点突变后,这些激动剂或拮抗剂对TRPV4的浓度依赖效应曲线会发生明显移动,从而进一步验证了这些小分子的结合位点。
通过以上四篇文章可以清楚的了解到小分子的结合口袋在VSLD,且通过远程传导作用从而使TRPV4通道打开或关闭,进而影响TRPV4通道的活性。具体的传导分子机制尚不明确,远程传导作用对于小分子如何调控TRPV4通道的分子机制解释带来了巨大的挑战,但结合位点的确定将有助于促进TRPV4拮抗剂的开发,同时TRPV4与RhoA互作的结构解析也为两条通路交互的机制研究提供结构数据的支撑。
最后将四篇文章解析的TRPV4结构总结如下,供广大读者方便查阅。
表1 TRPV4结构总结
参考文献
[1] Kwon D H, Zhang F, McCray B A, et al. TRPV4-Rho GTPase complex structures reveal mechanisms of gating and disease. Nature communications. 2023, 14(1):3732.
[2] Nadezhdin K D, Talyzina I A, Parthasarathy A, et al. Structure of human TRPV4 in complex with GTPase RhoA. Nature Communications. 2023, 14(1):3733.
[3] Zhen W, Zhao Z, Chang S, et al. Structural basis of ligand activation and inhibition in a mammalian TRPV4 ion channel. Cell Discovery. 2023, 9(1):70.
[4] Fan J, Guo C, Liao D, et al. Structural Pharmacology of TRPV4 Antagonists. Advanced Science. 2024:24001583.
供稿:陈娜
校稿:石存剑/冷利敏
编辑:汤荣凡
华东理工大学/上海市新药设计重点实验室/李洪林教授课题组