抗内皮素受体拮抗剂的选择性机制解析：一种结构生物学视角

一、研究背景与作者信息

该研究由侯俊毅、刘申辉、张晓丹等科学家领衔，主要来自复旦大学附属中山医院、上海科技大学iHuman研究所和上海先进免疫化学研究院等机构。相关成果发表于2024年《Cell Discovery》期刊（https://doi.org/10.1038/s41421-024-00705-9）。

内皮素（Endothelin, ET）是一种重要的血管调节因子，在维持心血管系统的正常功能中扮演着关键角色。内皮素受体（Endothelin Receptor, ETR）主要包括ETA和ETB两种亚型。ETA主要与ET-1和ET-2结合，导致血管收缩；而ETB则对ET-1、ET-2和ET-3具有相似的亲和力，主要引发血管舒张和ET-1的清除。因此，ETA和ETB在调控血管张力和治疗心血管疾病方面具有重要的临床意义。

目前，内皮素受体拮抗剂（如Bosentan、Macitentan和Ambrisentan）已被用于治疗肺动脉高压（Pulmonary Arterial Hypertension, PAH）等心血管疾病。然而，由于ETA和ETB受体在结构和功能上的高度相似性，开发对ETA具有高选择性的拮抗剂一直是药物设计中的难题。本研究通过冷冻电子显微镜（Cryo-EM）解析了ETA受体与多种拮抗剂（包括Macitentan、Ambrisentan和Zibotentan）的复合物结构，以揭示其选择性结合机制，为靶向内皮素受体的药物设计提供理论支持。

二、研究目的与意义

尽管已有大量关于ETB受体的晶体结构研究，但针对ETA受体拮抗剂的选择性机制仍不清晰。本研究旨在通过Cryo-EM技术解析ETA受体在与不同拮抗剂结合时的三维结构，并分析其拮抗剂选择性机制。同时，该研究还揭示了抗ETA特异性抗体Fab301的作用机制，为抗体药物的开发提供了新思路。

三、研究方法与流程

研究团队通过Cryo-EM技术对ETA受体与三种拮抗剂（Macitentan、Ambrisentan和Zibotentan）的复合物进行了高分辨率结构解析。由于GPCR（G蛋白偶联受体）在非活化状态下缺乏G蛋白的稳定作用，Cryo-EM结构解析存在挑战。为解决这一问题，研究团队对ETA受体进行了工程化改造，如在ICL3区域插入Bril蛋白，并通过引入Fab301抗体增强复合物的稳定性。

在实验设计中： 1. 通过将Bril蛋白插入ETA受体的ICL3区，优化了受体的稳定性。 2. 使用抗体Fab301进一步稳定ETA受体-拮抗剂复合物，并对其进行了冷冻电镜数据采集和结构解析。 3. 通过钙离子流动实验（Calcium Mobilization Assay）评估不同拮抗剂在ETA受体上的抑制活性，计算出IC50值。 4. 采用分子动力学模拟（MD Simulation）验证拮抗剂在受体结合口袋中的稳定性。

四、主要研究结果

1. Macitentan与ETA结合模式：

   • Macitentan是一种高度选择性的ETA拮抗剂，其核心结构为吡啶基，带有磺酰胺取代基。研究发现，Macitentan与ETA受体的结合依赖于其磺酰胺基团与R3266.55、K1663.33和K2555.38之间的离子相互作用。此外，溴苯基基团嵌入受体的疏水核心区域，通过与多个氨基酸残基（如W3196.48和H3236.52）的相互作用，进一步稳定了其结合。

2. Ambrisentan的高选择性：

   • Ambrisentan为丙酸衍生物，其选择性主要来源于其羧基与K1663.33和R3266.55的离子相互作用。同时，其苯环结构与F1613.28和P1623.29形成紧密的疏水相互作用，从而提高了结合稳定性。

3. Zibotentan的独特结合特征：

   • Zibotentan通过其中心吡啶环与ETA受体形成一系列离子和疏水相互作用。研究显示，Zibotentan的选择性与ETA受体上的Y1292.53残基密切相关，而在ETB受体中该位置为H1502.53。这种差异可能是Zibotentan选择性的重要原因。

4. Fab301抗体的作用机制：

   • 研究表明，Fab301抗体通过与ETA受体的ECL2区域（特别是R232和G233）结合，从而抑制ET-1的活性。突变分析进一步验证了这些关键残基在Fab301结合中的重要性。该抗体的高特异性为开发靶向ETA的抗体药物提供了重要参考。

五、研究结论与应用价值

本研究通过解析ETA受体与多种拮抗剂的复合物结构，揭示了ETA和ETB受体在选择性结合上的分子机制。研究发现： - ETA受体的拮抗剂结合口袋中，特定的氨基酸残基（如F1613.28和Y1292.53）在选择性中起关键作用。 - Macitentan和Ambrisentan的高选择性来源于其特殊的化学基团与受体的独特相互作用。 - 抗体Fab301通过识别ETA受体的ECL2区域，展示了其作为潜在治疗药物的前景。

这些发现为进一步开发高效选择性的ETA拮抗剂和特异性抗体提供了理论支持，尤其在肺动脉高压等心血管疾病的治疗中具有重要的临床应用价值。

六、研究亮点

• 高分辨率Cryo-EM技术：首次获得ETA受体与拮抗剂及抗体复合物的高分辨率结构，深入揭示其拮抗剂选择性机制。
• 抗体Fab301的应用：为开发靶向ETA的抗体药物提供了新思路，具有较高的特异性和稳定性。
• 分子动力学模拟：验证了拮抗剂在ETA受体结合口袋中的稳定性，进一步支持了实验结果的可靠性。

通过本研究，科学家们为靶向内皮素受体的药物设计奠定了坚实的理论基础，为未来开发更加安全高效的心血管疾病治疗药物提供了宝贵的结构信息。