葡萄糖激酶构象变化机理被阐明

  口服降糖药物、注射胰岛素来治疗糖尿病,毕竟治标不治本。能不能在人体内发起降低血糖浓度的“自救”行动?中科院上海药物所蒋华良研究员领衔的研究小组,在与糖尿病相关的葡萄糖激酶构象变化机理研究方面取得重要进展,在国际上率先破解了葡萄糖激酶的工作原理,为研发根治糖尿病的药物指明了方向。研究结果近日发表在国际权威期刊《美国科学院院刊》(《PNAS》)上。

  葡萄糖激酶是调节血液中葡萄糖水平的重要酶,主要分布于肝细胞和胰岛细胞中。在正常生理条件下,葡萄糖激酶的主要作用是监控血中的葡萄糖水平。当血中的葡萄糖水平升高时,葡萄糖激酶可以通过两条途径来降低血糖水平:一方面,胰岛细胞中的葡萄糖激酶促进胰岛细胞分泌胰岛素,分泌到血液中的胰岛素通过肌肉细胞、脂肪细胞和肝脏细胞的胰岛素受体介导进行糖原合成;另一方面,肝细胞中的葡萄糖激酶可以直接促进糖原合成。在这两条途径的共同作用下,血糖水平得以迅速降低。

  但是在一些特定的条件下,由于葡萄糖激酶过度激活或者失活,导致血中葡萄糖水平过低或过高,继而引发2型糖尿病和高血糖症的一系列病变反应。实验研究表明,葡萄糖激酶是一个单亚单位的自身变构酶,可能具有特殊的构象变化机理。最新发现的葡萄糖激酶的激动剂为治疗2型糖尿病提供了全新的方向。但是,由于葡萄糖激酶是一个自身变构酶,其构象转变所需时间非常短,因此,到目前为止,葡萄糖激酶激动剂的作用原理及其从闭合的激活状态到超打开的非活性状态的构象转变机理,仍然无法用实验方法来确定,而理论计算模拟可以弥补实验研究的不足。

  蒋华良研究员带领研究生张健等对葡萄糖激酶进行大规模的分子动力学模拟研究,对葡萄糖激酶激动剂的作用原理与其自调节变构酶的机理进行深入系统的阐述。通过对葡萄糖激酶野生型和多种关键突变体在水溶液的多次分子动力学模拟,不仅第一次在原子水平上解释了葡萄糖激酶激动剂的作用原理,而且通过势能面扫描和同源分析,发现了葡萄糖激酶自调节变构的三个关键过渡态。葡萄糖激酶从闭合的激活状态经过三个关键过渡态,最终到达超打开的非活性状态是其作为自身调节性变构酶的本质原因。葡萄糖激酶过渡态的机理合理地解释了当前临床常见的突变型病人的特征。

  根据这个机理,研究人员对葡萄糖激酶过渡态上的五个关键氨基酸进行了合理的预测,提出在第二个过渡态上的氨基酸突变会加速葡萄糖激酶的失活过程。这些预测被进一步的突变实验和酶动力学分析所证实。葡萄糖激酶激动剂的作用原理及其在水溶液中的自身变构转变的关键因素分析,为阐述葡萄糖激酶在体内通过自身构象变化调节血糖水平的作用机理以及为葡萄糖激酶激动剂的设计奠定了基础。

  目前,科研人员正根据葡萄糖激酶的理论模拟结果,进行2型糖尿病治疗新药的设计。蒋华良说,研究小组目前正在准备一篇新论文,披露更多关于葡萄糖激酶的“工作细节”。药物设计、合成和筛选工作,也已和机理研究同步展开。“至于找到了多少个候选药物,目前不便透露,我们正考虑申请相关专利。”他特别强调:“现在的工作只是提出了比较有价值的思路,想要开发出根治糖尿病的药物还有很长的路要走”。