乳腺癌抵抗蛋白是如何工作的？

癌症是现代社会人类健康的“头号杀手”。医学发展使癌症患者有多种治疗手段可以选择。然而随着抗肿瘤药物使用时间的推移，耐药性不可避免并常常导致癌症恶化。化疗药物耐药性产生的一个重要因素是人体内表达的一类多重药物转运蛋白（Multidrug Transporter），它们可以将药物泵出癌细胞。当多重药物转运蛋白在正常人体组织中表达时，它们可以将有害的外源小分子或内源代谢废物排出细胞以保护组织免受伤害。很多癌细胞也大量表达这类转运蛋白，将化疗药物泵到细胞外，逃逸化疗药物的杀伤。

近日，瑞士苏黎世联邦理工（ETH）Kaspar Locher教授课题组与瑞士洛桑联邦理工（EPFL）Henning Stahlberg教授课题组，在Nature Communication合作发表了题为Structures of ABCG2 under turnover conditions reveal a key step in the drug transport mechanism 的文章。该团队利用冷冻电子显微镜技术，结合生化分析，揭示了ABCG2在药物识别与转运过程中必经的关键构象状态变化。

ABCG2，又称乳腺癌抵抗蛋白，是人类重要的多重药物转运蛋白之一。它属于ATP结合盒转运蛋白（ABC transporter），利用ATP水解产生的能量将多种不同的底物从细胞内转运到胞外。ABCG2组成性地表达于血脑屏障，母胎屏障，肝胆 以及胃肠组织中，广泛地影响药物的吸收与代谢。作为研究热点，已有大量关于ABCG2药物转运的功能与结构研究发表【1-3】。以往结构生物学研究中，为了保证构象均一从而获得高分辨率结构，有一系列策略可以将ABCG2“锁”在某一构象状态，例如使用酶活关键位点残基突变体，只添加转运底物，添加抑制型小分子或者抗体【2,3】。然而以上条件与生理环境是不同的。在生理环境中没有抑制剂，ATP，ADP，Mg离子以及ABCG2的转运底物总是同时存在于ABCG2周围，ABCG2处于可活动的“转换态”。所以已有研究未能完整揭示ABCG2药物转运过程中的各个构象状态，也不能充分解释ABCG2是如何区分底物与抑制剂的。

该研究首次解析了ABCG2与底物，包括内源性底物E1S以及外源抗癌药物Topotecan，在转换状态的高分辨结构，揭示了两个全新的“转换态（turnover）”构象：Turnover-1与 turnover-2。在这两个状态下，底物与ATP都结合在ABCG2上。Turnover-1的核苷酸结合结构域（NBD）完全打开，同时药物结合口袋完全对完开放。而Turnover-2 的NBD处于半关闭状态，并且药物结合口袋被堵塞。更有意思的是我们发现ABCG2转换状态的构象与底物的类型相关联。内源底物E1S分子量小，在转换状态下E1S复合物仅存在Turnover-2一种构象状态。外源抗癌药物Topotecan分子量大，在转换状态下Topotecan复合物同时存在Turnover-1与Turnover-2两种状态，并且Turnover-1是主要构象状态。结构分析显示，从Turnover-1到Turnover-2构象ABCG2药物结合口袋缩小了三分之一，空间只够容纳转运底物，不足以容纳小分子抑制剂。因此从Turnover-1到Turnover-2构象转换很有可能是药物转运循环中的限速步骤，决定了药物是作为底物被ABCG2转运出细胞还是作为抑制剂卡在底物结合口袋。该研究完善了ABCG2药物转运的分子生物学机制，并为ABCG2底物与抑制剂的识别机制提供了结构生物学基础。

本文第一作者是苏黎世联邦理工-ETH博士后余钦博士，博士期间师从中国科学院生物物理研究所王大成院士与北京生命科学研究所邵峰院士；第二作者是瑞士洛桑联邦理工-EPFL博士后倪冬春博士。瑞士苏黎世联邦理工 Kaspar Locher教授课题组长期从事膜蛋白的结构与功能研究，在ABC 转运体领域（ATP-binding cassette transportor）有着十分重要的贡献 。瑞士洛桑联邦理工Henning Stahlberg教授课题组长期致力于冷冻电镜技术的方法学开发和实际应用的探索。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24651-2

制版人：十一

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