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研究人员对ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)的三维结构进行了解析,ACLY是一种控制细胞内许多过程的代谢酶,Verstraete揭示了ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)的三维结构和分子机制,研究人员利用MDL-800对SIRT6在肿瘤中潜在的靶标作用进行了药理学验证

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金沙澳门官网手机版 ,近日,美国哥伦比亚大学的科研人员在Nature上发表了题为“An allosteric
mechanism for potent inhibition of human ATP-citrate
lyase”的文章,研究人员对ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)的三维结构进行了解析,阐明了在抑制剂作用下的变构机制,为通过该分子靶标治疗肿瘤奠定了基础。

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科学家发现表观遗传靶标SIRT6激动剂可抑制肝癌增殖

ATP-柠檬酸裂解酶是一种ATP依赖性的中心代谢酶,负责催化柠檬酸和辅酶A(CoA)分别转化成草酰乙酸和乙酰辅酶A。乙酰-CoA对脂肪酸代谢、胆固醇的生物合成、蛋白质乙酰化和异戊烯化等生化过程至关重要。由于许多癌细胞的增殖取决于ACLY的活性,因此ACLY是抗癌药物作用的重要靶点。此外,ACLY也是抗血脂障碍和肝细胞脂肪变性的靶标。到目前为止,已经发现了许多ACLY抑制剂,但大部分活性较弱。研究人员对低抑制剂量的小分子抑制剂进行了研究,并通过冷冻电镜确定了抑制剂NDI-091143与人全长ACLY同型四聚体相互作用时的结构特征,发现了全新的抑制机制。该化合物的结合位点主要位于柠檬酸结合位点旁的疏水性变构空腔中。NDI-091143与ACLY结合后,通过较大的构象变化,间接破坏酶与柠檬酸的结合,该结合作用模式解释了此类化合物结构与活性的关系。该变构位点的阐明极大地增强了ACLY的“可药性”,使ACLY成为更具吸引力的肿瘤治疗靶标,为开发新的ACLY抑制剂提供理论依据。(摘译自Nature,
Published: 3 April 2019)

作者:Michael

由博士领导的研究小组。VIB-UGent炎症研究中心结构生物学部门的Kenneth
Verstraete揭示了ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)的三维结构和分子机制。这是一种中枢代谢酶

上海交通大学医学院张健课题组与陈国强课题组合作发现了SIRT6的首个具有功能的变构激动剂MDL-800,并初步证实了SIRT6激动剂可以通过阻断细胞周期来抑制肝癌增殖,研究为SIRT6作为新靶标的确认提供了证据,也为该靶标药物开发提供了优质的先导化合物基础。10月29日,该研究成果发表于《自然—化学生物学》。

导语

  • 一种加速化学反应的蛋白质 –
    对人体肝脏中脂肪酸和胆固醇的产生很重要。报道的这些发现可能有助于在癌症和动脉粥样硬化等代谢疾病中靶向ACLY。ACLY的结构也揭示了一种重要的进化关系,从根本上改变了我们对细胞呼吸起源的理解。

表观遗传调控是生命稳态维持的重要机制,其中组蛋白乙酰化被发现是和机体生理功能及病理表征联系最为紧密的修饰化之一。SIRT6是组蛋白去乙酰化酶家族中的一个成员,主要对组蛋白H3K9Ac和H3K56Ac进行去乙酰化。SIRT6自其功能开始被揭示起就一直是人类衰老、代谢等生理机制及肥胖、糖尿病、炎症、肿瘤等病理过程研究的“明星”分子。然而不同于大部分蛋白需要抑制剂,SIRT6作为表观遗传组蛋白去乙酰化酶一直期待能有激动剂突破,为延缓衰老、治疗糖脂代谢类疾病及抗肿瘤研究提供新的思路。但目前尚未有可用于靶标功能研究和验证的SIRT6小分子激动剂报道。

ATP-柠檬酸裂解酶是一种中心代谢酶,催化ATP依赖性柠檬酸和辅酶A转化为草酰乙酸和乙酰-CoA1-5。哥伦比亚大学的科学家们与Nimbus
Therapeutics的研究人员合作,利用冷冻电镜技术揭开了这种代谢酶的神秘面纱,这种酶可能成为癌症治疗的下一个主要分子靶点,这项研究的最新进展发表于《Nature》杂志。

所有生命王国中的生物都至关重要地依赖于一种叫做乙酰辅酶A的分子,这种分子可以促进细胞中必需的生化过程,例如脂肪酸和胆固醇的产生。然而,乙酰辅酶A并不总是容易获得。为了产生它,酶ATP柠檬酸裂解酶(ACLY)需要启动一系列涉及其他分子(如柠檬酸盐和辅酶A)的化学反应。这使得ACLY成为脂肪酸和胆固醇细胞生成的关键组分,我们对人类饮食的看法变得臭名昭着,却是生命和细胞完整性的必需分子。然而,尽管对ACLY驱动的生物合成循环及其在生理和疾病的许多方面的重要性进行了数十年的研究,

研究人员通过课题组发展的Allosite工具发现SIRT6一个潜在变构位点,继而利用虚拟筛选和荧光FPL方法筛到了两个可以微弱激活SIRT6的苗头化合物,经过系统的药物化学结构修饰获得先导化合物MDL-800。高效液相/质谱等方法的酶动力学揭示MDL-800是通过提高SIRT6对于底物亲和力及去乙酰化酶催化效率来发挥激动活性。MDL-800在HDAC家族的18个成员中对SIRT6具有很好的靶标选择性。结构生物学结合突变实验及大量生物物理方法证实MDL-800作用于SIRT6上的一个全新变构位点,并进一步确证了MDL-800是通过变构方式激活SIRT6去乙酰化酶活性而不影响SIRT6去长链酰化和ADP核糖转移酶活性。

首先,我们来了解下究竟什么是ACLY。ATP-柠檬酸裂解酶是一种中心代谢酶,催化ATP依赖性柠檬酸和辅酶A转化为草酰乙酸和乙酰-CoA。乙酰辅酶A对脂肪酸的代谢、胆固醇的生物合成以及蛋白质的乙酰化和异戊烯化至关重要。作为抗癌药物的靶标,ACLY一直备受关注,因为许多癌细胞依赖它进行肿瘤的转移与扩散。
ACLY也是抗血脂异常和肝脂肪变性的靶向位点,部分药物目前正在进行3期临床试验。当前已报道许多ACLY抑制剂,但其中大多数仅具有很弱的活性。

现在,由Savvas Savvides教授(VIB-UGent炎症研究中心)协调的研究小组Kenneth
Verstraete博士带头开展的一项研究,在理解ACLY及其调节的反应方面取得了很大进展。由于该酶的大小和模块性质,更多地了解ACLY一直非常具有挑战性。通过采用全面的结构方法,受益于与EMBL(德国汉堡)和ISB-CNRS(法国格勒诺布尔)的团队的富有成效的合作,VIB研究人员能够确定跨越不同生活领域的高分辨率ACLY酶结构,包括人类。这种国际合作继续对开创性研究至关重要。用Savvas
Savvides教授的话来说:

同时,研究人员利用MDL-800对SIRT6在肿瘤中潜在的靶标作用进行了药理学验证。MDL-800可以在肝癌细胞内特异性激活SIRT6组蛋白去乙酰化活性,下调H3K9Ac和H3K56Ac,阻断细胞周期阻滞从而抑制肝癌细胞增殖。特别值得一提的是,肝癌移植瘤动物及其敲除模型的实验发现MDL-800具有良好的在体特异性抑制肿瘤生长的效果。这为SIRT6在延缓衰老、抗炎、治疗糖脂代谢等疾病治疗中发挥作用提供了新的思路。

虽然之前的实验已经成功完成了该酶的片段,但此次哥伦比亚大学Liang
Tong及其研究团队的工作揭示了在高分辨率下人类ACLY的完整结构。Liang
Tong教授表示,“ACLY是一种控制细胞内许多过程的代谢酶,包括癌细胞中的脂肪酸合成。通过抑制这种酶,我们可以控制癌症的生长。此外,该酶还具有包括包括调节胆固醇生物合成等其他作用,因此针对该酶的抑制剂也可用于控制胆固醇水平。同时,靶向治疗是癌症研究的一个热点领域,癌细胞中的某些特定分子会帮助它们生长,分裂和传播,而此次解析的ACLY酶也是其关键的一员。通过阻断这些分子的作用,我们可以有效的抑制肿瘤生长与扩增。”

报道的结构快照显示,ACLY可以采用不同的结构状态作为导致乙酰辅酶A形成的多步反应机制的一部分。此外,研究人员对柠檬酸合成酶进行了新的进化发现,柠檬酸合成酶是氧化克雷布斯循环的第一种酶。该循环负责细胞中能量单位的产生,并且是地球上最基本的生化途径之一。研究小组发现柠檬酸合成酶是从祖先的citryl-CoA裂解酶模块进化而来的,该模块在广泛的细菌中发现反向克雷布斯循环。这种分子转变

据悉,上海交通大学医学院张健研究员、陈国强研究员、徐颖副研究员为该论文共同通讯作者,黄志敏博士、赵君幸、邓玮博士、陈颖毅以及商佳琳为共同第一作者。此外,中科院上海药物研究所蒋华良研究员、谭敏佳研究员、胡昊博士,多伦多大学闵金荣教授,贵阳医学院何彬教授,同济大学毛志勇教授,仁济医院林厚文教授,中科院上海健康研究所秦樾研究员对论文亦有贡献。该工作受到国家自然科学基金委创新研究群体和重大研究计划基金的支持。

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  • 从柠檬酰辅酶A裂解酶到柠檬酸合成酶 –
    标​​志着地球代谢进化的关键步骤,并表明反向克雷布斯循环早于氧化克雷布斯循环。这是几十年来一直困扰科学家的重要进化见解。Kenneth
    Verstraete博士解释说:我们对ACLY作为中枢代谢酶的机制和进化的游览 –
    去力结构探索有望重塑我们对生物化学的理解,并将促进人类ACLY在广泛代谢疾病和癌症。

论文信息:

今年早些时候,另一组研究人员展示了一项针对高胆固醇治疗的口服疗法bempedoic
acid的3期临床试验结果。该药物是第一代ACLY抑制剂,单独服用可降低低密度脂蛋白胆固醇30%,与他汀类药物联合使用可降低20%。

ACLY在人体新陈代谢中的核心作用激发了其可能的治疗相关性。例如,为了支持肿瘤生长,许多癌细胞显示脂肪酸产生增加,这取决于ACLY。事实上,在乳腺癌和肺癌中,人们观察到ACLY活性增加。此外,肝脏中的ACLY是代谢紊乱的治疗靶标,其特征在于高水平的血液甘油三酯和胆固醇。目前,最先进的ACLY靶向药物是bempedoic
acid,正在临床评估中作为降低与动脉粥样硬化相关的低密度脂蛋白胆固醇(LDL胆固醇,不健康型)的有希望的治疗方法。博士

目前已经发现ACLY在几种类型的癌症中过表达,并且实验已经证实“关闭”ACLY可引起癌细胞停止生长和分裂。了解ACLY的复杂分子结构将使研究者了解到该分子最佳的抑制区域,为靶向药物开发铺平道路。

Liang
Tong及其研究团队使用纽约结构生物学中心的设施,使用冷冻电镜技术来解析ACLY的复杂结构。
Cryo-EM允许使用电子显微镜对冷冻生物样本进行高分辨率成像。然后将一系列二维图像计算重建为精确、详细的复杂生物结构(如蛋白质,病毒和细胞)的三维模型。

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冷冻电镜结果揭示了有效抑制ACLY的意外机制。研究小组发现,抑制剂结合需要酶结构的显着变化。然后,这种结构变化间接阻断底物与ACLY的结合,从而防止酶活性发生。这种新的ACLY抑制机制可以为开发治疗癌症和代谢紊乱的药物提供更好的方法。

参考文献:

Byron DeLaBarre,Liang Tong. An allosteric mechanism for potent
inhibition of

human ATP-citrate lyase.

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