“明星药”恩格列净如何起效？陈雷团队《自然》发文，解析关键蛋白结构

▎药明康德内容团队编辑

在我们体内，肾脏是维持血浆中葡萄糖水平的重要器官。当葡萄糖跟随血液流经肾脏时，绝大部分葡萄糖都会被滤出、重吸收回血液。而在肾脏中负责葡萄糖重吸收的主要蛋白，就是钠-葡萄糖共转运蛋白（SGLT）。

在人类中，SGLT已知包含了SGLT1到SGLT6这6种亚型，在肾脏中主要起作用的为SGLT1和SGLT2。其中，SGLT2负责原尿中90%葡萄糖的重吸收，其活性依赖于附属亚基MAP17；而SGLT1负责残余葡萄糖的重吸收。

重吸收过程使得我们摄入的葡萄糖等营养物质能得到更高效的利用，但对于糖尿病患者来说，这个过程却并不美妙。如果能抑制SGLT蛋白的功能，使原尿中的葡萄糖无法被重吸收，从而通过尿液排出体外，那么就能帮助他们实现降血糖的目的。因此，仅在肾脏中负责重吸收绝大部分葡萄糖的SGLT2，成为治疗糖尿病的重要小分子药物靶点之一。

1886年，德国药学家约瑟夫·冯梅林教授发现从苹果树根皮中萃取的天然产物根皮苷（Phlorizin）可以使动物多尿、排出尿糖、减轻体重。随后的研究发现，根皮苷就是SGLT的天然抑制剂。

基于根皮苷的结构，已有包括恩格列净（Empagliflozin）在内的多种SGLT2特异性抑制剂被开发出来，并应用于2型糖尿病的临床治疗。 这些SGLT2抑制剂验证了“通过 尿出糖来降血糖” 这一治疗思路的正确性，并且还展现出治疗心衰、肾脏保护等多种临床效果。

但是，这类备受关注的药物究竟是如何抑制SGLT2蛋白功能的，却始终没有得到解答。 一个重要原因在于，SGLT2蛋白的精细结构尚未得到解析。

现在，北京大学未来技术学院分子医学研究所陈雷课题组解决了上述问题。在一项发表于《自然》杂志的最新研究中，他们通过冷冻电镜对SGLT2-MAP17复合物和抑制剂的结构进行解析，阐明了SGLT2抑制剂的工作机制。

陈雷教授表示，解析SGLT2蛋白的结构极具挑战性，因为SGLT2和MAP17复合物的分子量很小，结构稳定区只有80 kDa（千道尔顿）左右；该结构不具有对称性；此外，二者均没有稳定的可溶区结构域。

面对这一挑战，研究团队创新性地采用“三接头固定”策略，将绿色荧光蛋白（GFP）融合在SGLT2胞内的环区，并将与GFP结合的纳米抗体融合在MAP17胞内端。这样，利用GFP和纳米抗体的高亲和力，就能将两者的复合物嵌合在SGLT2-MAP17胞内侧，为冷冻电镜观测提供了标记。

借助这一策略，研究团队最终获得了分辨率为2.95 Å的SGLT2-MAP17复合物与其抑制剂恩格列净结合的冷冻电镜结构。

▲SGLT2-MAP17蛋白的电子密度图和拓扑示意图（图片来源：参考资料[1]）

冷冻电镜成像显示，SGLT2为14次跨膜蛋白，含有从TM0到TM13这14个跨膜螺旋。其中，TM1-TM10为转运的核心结构，该结构与原核生物亮氨酸转运蛋白（LeuT）类似。而TM0、TM11-TM13在核心结构的周围，附属亚基MAP17通过疏水相互作用与TM13结合。

此外，这项研究还揭示了抑制剂恩格列净与SGLT2蛋白结合的机制。恩格列净结合在SGLT2蛋白的中间，抑制剂的葡萄糖基占据了葡萄糖的结合位点，葡萄糖基的羟基与SGLT2的氨基酸发生了极性相互作用。抑制剂的糖苷配基从葡萄糖结合位点往外延伸，直到蛋白外侧，将SGLT2锁定在向外开放状态。

如下图所示，抑制剂的不同基团与SGLT2的不同氨基酸相互作用，牢固地结合在一起。而将与抑制剂结合的SGLT2氨基酸突变为SGLT1对应的氨基酸时，抑制剂的抑制效果也减弱。这在一定程度上解释了恩格列净对SGLT2相较于SGLT1的高选择性。

▲抑制剂恩格列净的结合位点（图片来源：参考资料[1]）

因此，研究团队通过对冷冻电镜成像结果的解析，发现抑制剂将SGLT2锁定在向外开放状态，确定了SGLT2抑制剂的结合位点，并且阐述了SGLT2剂抑制的工作机制。陈雷教授表示，这项研究为SGLT家族抑制剂的进一步优化提供了结构基础，并且为基于该结构的药物设计提供了模板。

北京大学未来技术学院分子医学所博士研究生牛延革为本论文的第一作者，陈雷研究员为论文的通讯作者。

陈雷实验室长期致力于代谢类疾病和心血管疾病药物靶点的工作机制，先后解析了胰岛细胞葡萄糖感受器KATP，一氧化氮受体sGC等结构，希望对此方向感兴趣的研究生及博士后加入。

参考资料：

[1] Yange Niu et al., Structural basis of inhibition of the human SGLT2–MAP17 glucose transporter. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04212-9

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