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药物基因组学发展和应用,美国科学院院刊



药物基因组学为临床医生和临床药师提供了很大程度上改善几百万患者药物治疗效果的机会。但是,这个机会的利用却受到阻碍和挑战,并且新的知识还在不断的更新。药物转运体的…

杨茂君课题组在《美国科学院院刊》在线发表论文

药物基因组学为临床医生和临床药师提供了很大程度上改善几百万患者药物治疗效果的机会。但是,这个机会的利用却受到阻碍和挑战,并且新的知识还在不断的更新。

报道一种ABC氨基酸转运蛋白的底物选择性机制

清华新闻网4月7日电
4月7日,清华大学生命学院杨茂君教授研究组在《美国科学院院刊》在线发表了名为《结构生物学揭示ABC氨基酸转运蛋白的底物选择性机制》的科研论文。首次报道了一种氨基酸底物结合状态下的ABC转运蛋白复合物的晶体结构,对其功能特性和底物选择性机制进行了研究,为更好的理解ABC转运蛋白如何选择与转运底物提供了重要的线索。清华大学生命学院在读博士生于杰和盖景鹏为本文的共同第一作者,杨茂君教授为通讯作者。

ABC转运蛋白作为最大的跨膜物质转运蛋白超家族之一,广泛存在于所有真核和原核生物中,它们利用水解ATP产生的能量,完成对小到各种离子大到蛋白的各种各样物质的转运。根据转运方向的不同,ABC转运蛋白可以分为importer和exporter两大类。在细菌等原核生物中,ABC转运蛋白主要位于细胞质膜上介导糖类、氨基酸、磷脂和多肽的转运;在哺乳动物等高级生物中,ABC转运蛋白在肠道、血脑屏障以及胎盘中广泛分布,可以介导磷脂、亲脂性药物、胆固醇和其他小分子的转运,在体内正常物质运输以及排出外源有毒物质和代谢废物的过程中发挥重要作用。ABC转运蛋白基因发生突变后会导致多种疾病,包括肾上腺脑白质营养不良、囊胞性纤维症、视网膜变形、血胆脂醇过多以及胆汁阻塞等等。

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ABC复合物同时转运两个底物的分子机制。

长久以来,对于ABC转运蛋白的研究主要集中于其转运机制的研究,即ABC转运蛋白是如何利用水解ATP的能量来完成构象变化,进而来完成对底物的转运,而对于ABC转运蛋白的底物选择性的机理仍不清楚。杨茂君课题组解析了腾冲嗜热菌中的一种氨基酸ABC转运蛋白Art(QN)2及其结合蛋白ArtI的晶体结构,同时解析了Art(QN)2与不同底物以及ATP结合状态下的晶体结构,首次鉴定了ABC
importer中跨膜区结构域同时存在着两个底物结合位点。序列分析表明,这一特点很可能是同源二聚体形式的ABC
importer的共同特点。功能试验表明,这些跨膜区底物结合位点关键氨基酸残基的突变对于ArtI-
Art(QN)2 复合物的ATPase的活性有着显著影响。这些研究初步揭示了ABC
importer同时选择和转运两个底物的可能的分子机制。

德国洪堡大学的Johanna Heuveling博士和Erwin
Schneider教授也参与了本文的部分研究。上海同步辐射及凤凰工程基础设施为晶体数据收集提供了及时有效的支持。本项目受到清华-北大生命联合中心、国家自然科学基金委及科技部重大研究计划的支持。

论文链接:

供稿:生命学院 编辑:蕾蕾

药物转运体的基因多态性

药物的生物利用度不仅取决于药物代谢酶的活性,在较大程度上也有赖于生物膜上转运体的活性。转运体分布在许多屏障组织如肠道、肝脏、血脑屏障、肾脏、胎盘、睾丸和淋巴细胞等的顶膜上,因此对血浆、组织液,甚至细胞内药物的分布都发挥着一定的作用。由于转运体的分布和功能表现出非常大的变异性,推测膜转运体基因的遗传变异可以解释一部分药物药代动力学和临床疗效上的个体差异。根据不断增加的转运体成员,人类基因命名委员会对转运体作了标准化命名,分为两大类:ATP-结合盒转运体(ATP-bindingcassettetransporters,ABC转运体)和溶质载体(solutecarrier,SLC)超家族。

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一、ABC转运体

大部分外排性转运体属于ABC转运体超家族成员,可以影响多种细胞和组织内化合物的浓度。这些转运体在阻止外源性物质的侵入中发挥了主要的屏障作用。底物跨膜转运的能量来自ATP的水解和转运体中间物的磷酸化,使底物能够逆浓度梯度进行主动转运。人类ABC转运体共有49个成员,分为7个超家族(ABCA~ABCG)。ABC转运蛋白的核心结构通常由4个结构域组成,包括2个高度疏水的跨膜结构域(transmembranedomain,TMD)和2个核苷酸结合域(nucleotide-bindingdomain,NBD)。每一跨膜结构域一般由6个螺旋构成,也存在由10个、17个、19个螺旋组成的跨膜结构域。它们形成一个跨膜通道以实现底物分子的跨膜运输,同时还参与底物的识别过程。核苷酸结合域位于胞质,结合和水解ATP。

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编码ABCB1的基因位于染色体7q21.12,编码含有1280个氨基酸的多药耐药蛋白1(multidrugresistant1,MDR1),在许多组织细胞中广泛表达。由于其结构中含有一个糖基,习惯上将其称为P-糖蛋白(P-glycoprotein,P-gp)。P-gp是首个在人类组织中发现的ABC转运体,也是最为

重要的MDR介导因子。P-gp除了在肿瘤细胞有分布外,在人体正常组织肝脏、肾脏、肠道、胎盘、血脑屏障、血睾屏障以及淋巴细胞系和心脏内小动脉、毛细血管等部位都有分布。P-gp主要位于这些细胞的绒毛面的一侧,利用ATP水解释放的能量,将作用底物从细胞内转运至细胞外。这种对药物的逆向转运功能使得P-gp在药物的吸收、分布、代谢和清除方面具有重要意义。P-gp的作用底物范围非常广泛,主要转运疏水性的阳离子化合物。

ABCB1上目前为止发现的SNP有数百个,最早对SNPs进行的系统研究发现第26外显子上的沉默突变3435C>T与肠道P-gp的表达水平和地高辛的生物利用度的改变有相关性,3435TT突变纯合子携带者肠道P-gp的表达水平明显下降,地高辛血浆水平显著提高。随后的研究发现第21外显子2677G>T/A的突变可以导致893位氨基酸的改变,并且2677G>T/A和3435C>T存在连锁不平衡关系。3435C>T的发生频率存在显著的种族差异,3435T等位基因的发生频率在非裔黑种人中为17%-27%,亚洲人中为41%~47%,白种人中为52%~57%。ABCB1基因变异的功能意义目前还存在争议,许多研究发现3435T的变异会引起功能丧失,而另一些研究则不这样认为。3435C>T是如何影响P-gp表达的,目前机制还不是很清楚。

ABCC2

ABCC2又名多药耐药相关蛋白2(multidrugresistance-associatedprotein2,MRP2),或小管多种有机阴离子转运体(canalicularmultispecificorganicaniontransporter,cMOAT),属于ABC转运体C亚家族中的一员。ABCC2主要分布于肝细胞的管腔膜和肾近端小管细胞的管腔膜侧,少部分位于肠道、胆囊上皮细胞、胚胎以及血脑屏障的内皮细胞等极性细胞的顶膜。ABCC2基因位于10q24,共有32个外显子,其编码产生的蛋白由1545个氨基酸组成,含有17个跨膜螺旋结构,构成了3个跨膜结构域。ABCC2主动转运阴离子药物结合物,如葡糖醛酸盐类、硫酸盐类和谷胱甘肽结合物类,另外也可转运许多非结合类物质,被认为是解毒路径的重要一部分,见表5-3。此外,ABCC2也有助于抗癌药物如顺铂、长春碱、喜树碱衍生物等的转运。最近推测认为ABCC2可能参与了霉酚酸和环孢素之间的相互作用。以前的研究发现常染色体隐性遗传疾病Dubin-Johnson综合征与肝脏内ABCC2的缺失有关,引起高胆红素血症。研究发现DJS患者ABCC2基因上核苷酸的置换可以影响MRP2的表达或功能。除了能引起DJS的一些突变外,最近ABCC2基因上发现了许多不引起DJS的SNPs,在不同种族的正常人群中发现了40多个SNP。考虑到MRP2在排泄过程中的重要性,推测认为这些多态性有可能引起转运和排泄活性的个体差异。ABCC2最常见的基因多态性位点是5′端上游的−24C>T,第10外显子的1249G>A和第28外显子的沉默突变3972C>T。其它非同义突变2302C>T(Ala768Trp)、2366C>T(Ser789Phe)、4348G>A(Ala1450Thr)的发生频率比较低。其中2302C>T在DJS患者中也有发现。由于突变位点2302C>T、2366C>T和4348G>A位于ATP结合位点附近,其潜在的功能影响还未被证实。

ABCG2

ABCG2,也就是所谓的BCRP(Breastcancer-relatedprotein,乳腺癌相关蛋白)或米托蒽醌耐药蛋白,是ABC转运体中G亚家族的一个成员。ABCG2基因位于4q22,编码生成655个氨基酸的蛋白,分子量为72kDa。ABCG2含有一个ATP结合域和一个跨膜区域,被称为半个转运体。在人体正常组织中,ABCG2主要表达于胎盘、结肠、小肠和肝脏。

ABCG2基因上报道的序列变异目前有80多个,对8个影响BCRP转运活性的非同义突变研究的比较多,其中5个是导致功能失活的:623T>C(Phe208Ser)不在膜上,使BCRP表达降低;742T>C(Ser248Pro)和1322G>A(Set441Asn)位于蛋白的胞内域;376C>T和1000G>T导致编码提前终止,产生无活性的蛋白。另外两个突变位点34G>A和421C>A(Gln141Lys)表现为蛋白功能的下降。34G>A影响到BCRP蛋白在Lewis肺癌细胞血浆侧膜上的定位,而421C>A与BCRP蛋白表达降低、ATP酶活性下降有关。421C>A突变等位基因的发生频率存在种族差异,在亚洲人中的发生频率是35%,考虑到其突变的高发生率,以及BCRP的组织分布和亚细胞内定位,有助于一定程度上解释基因变异对于核苷衍生物分布的影响。最后,1291T>C(Phe431Leu)变异对转运蛋白活性的影响表现为中等程度,其表现为不能转运抗癌药物甲氨蝶呤,但能够介导内源性底物血卟啉的泵出,由此也证明基因变异的影响也具有底物特异性和选择性。

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