廖茂富团队揭示多重药物转运蛋白ABCG2传输抗癌药物分子的精确分子机制

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癌症研究和抗癌药物的发展日新月异，人类拥有了更多的治疗选项，和癌症的对抗渐渐转变为一场持久战。在这个大背景下，癌症的抗药性不可避免，而多重抗药性尤其使得肿瘤恶化并得以抵抗多种化疗药物的攻击。产生多重抗药性的的来源有多种，其中的一个重要的机制，是多重药物转运蛋白介导化疗药物转出癌细胞。在很多正常的器官中，这些转运蛋白在细胞表面将有害物质排出细胞，保护人体免受损害。但是，很多肿瘤可以大量表达这种转运蛋白来泵出多种化疗药物，降低癌细胞内的药物浓度来躲避抗癌药物的作用。

人体最重要的多重药物转运蛋白包括P-glycoprotein (Pgp, ABCB1), ABCG2和ABCC1。它们都是ABC（ATP-binding cassette）转运蛋白家族的成员。这些蛋白结合并水解ATP，并使用由此产生的能量来将大量不同的药物分子排出细胞。尽管已有几十年的功能和结构研究，多重抗药性ABC转运蛋白到底如何识别结构差异巨大的多种药物分子，以及转运蛋白在转运过程中的精确构象变化仍然不清楚。这些重要信息的缺失在很大程度上限制了精准药物设计的可能性，并且导致药物与转运蛋白的作用以及药物代谢动力学不可预测。

2020年5月8日，来自美国哈佛医学院的廖茂富团队在Nature Communications杂志上发表题为ABCG2 transports anticancer drugs via a closed-to-open switch 的研究论文，通过高分辨单分子冷冻电镜，生物化学，以及功能分析等研究手段，揭示了ABCG2是如何结合三种不同的抗癌药物分子（imatinib（伊马替尼），mitoxantrone（米托蒽醌），SN38），以及这些分子的结合如何打开ABCG2原有的关闭构象以实现特异性的药物跨膜传输。

该研究首次解析了单独的ABCG2在静息状态的高分辨结构，并且揭示了一个全新的“关闭（closed）”构象。这个构象不同于过去解析的“向内开启”（inward-open）和“向外开启”（outward-open）两种构象。由于已发表的ABCG2的结构都结合了构象选择性的抗体、底物、抑制剂或者ATP类似物，ABCG2在这些复合物中的构象很可能已不是起始的状态。

为了验证这个“关闭”构象的相关性，研究团队以ABCG2的三个构象（closed, inward-open, outward-open）为起点，在特定的位点插入半胱氨酸。这些半胱氨酸之间的距离在不同的构象是不一样的，只有在特定构象，当它们非常靠近的时候，才能形成二硫键。于是通过二硫键交叉链接实验就可以分辨ABCG2处于哪种构象。结果证明，这个以前没有发现的“关闭”构象确实存在于表达在细胞膜上的ABCG2，而并非后期蛋白纯化导致的假象。

进一步的冷冻电镜实验首次解析了一系列ABCG2和抗癌药物分子的复合物的高分辨结构。在分别结合三种不同的药物分子之后，ABCG2不同程度地从“关闭”构象转变为“向内开启”构象。Mitoxantrone和SN38是公认的ABCG2传输底物，可以高效地被ABCG2排出细胞， 这两种药物分子导致大约一半的ABCG2由“关闭”变成“向内开启”。与之形成强烈的对比，imatinib将几乎所有的ABCG2都稳定在“向内开启”的构象。有趣的是，和mitoxantrone以及SN38不同，imatinib到底是ABCG2的传输底物还是抑制剂，在领域内一直存在争议。这个研究说明，和公认的传输底物相比，imatinib能更有效的开启ABCG2并稳定其开启的构象，但很可能无法被传输——这些性质和ABCG2的抑制药物（比如Ko143）非常类似。

以上结果阐述了ABCG2转运抗癌药物分子的精确构象转变途径。在这个新发现的ABC转运蛋白机制中，转运蛋白起始于“关闭”状态，不同结构的药物分子通过打开这个构象来实现“多特异性”的结合和转运；而ABCG2的抑制药物分子则由于结合太过紧密，“向内开启”构象过于稳定，导致无法进行下一步的构象变化与药物分子传输。这个新的范式在分子机制层面解释了ABCG2多重特异性的药物转运和抑制，并且阐明了ABCG2和其他多重药物转运蛋白（例如Pgp和ABCC1）的构象转变途径的重大区别。

据悉，该论文的第一作者，也是除通讯作者外的唯一作者，Benjamin Orlando刚开始在密歇根州立大学的生化和分子生物学系建立自己的独立课题组（有意加入者可联系Benjamin_Orlando@hms.harvard.edu）。至此，廖茂富团队在不到六年的时间里，已产生了4名PI和1名电镜中心的主管（美国3名，中国2名）。该团队重点研究与脂类（疏水）分子作用的膜蛋白，包括多种ABC转运蛋白的结构和功能，曾在2017和2019年各发一篇Nature长文，阐述了ABC转运蛋白（MsbA和LptB2FGC）传输细菌脂多糖的分子机制。

廖茂富教授部分工作：

1. Science丨肖易倍博士等阐明了Cas3募集和DNA降解的分子机制

2. 3Nature+1Science为何同时聚焦线粒体钙单向转运通道蛋白？

3. Nature背靠背 | 廖茂富团队等揭示细菌脂多糖的转运机制

4. Nature | 冯亮/廖茂富合作解析Na-K-Cl共转运蛋白NKCC1