一种小分子可以诱导囊性纤维化CFTR无义突变

发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一种实验性药物表明，治疗由无义突变导致的囊性纤维化病目前无法治疗的病例“显然是可行的”。这包括约11%的囊性纤维化患者，以及患有其他遗传疾病的患者，包括杜氏肌萎缩症、β-地中海贫血和许多类型的癌症，这些疾病也是由无义突变引起的。

　　

 

   

Steven Rowe

发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的一种实验性药物表明，有一种“明显可行的途径”来治疗目前无法治疗的由无义突变引起的囊性纤维化疾病。这包括约11%的囊性纤维化患者，以及患有其他遗传疾病的患者，包括杜氏肌萎缩症、β-地中海贫血和许多类型的癌症，这些疾病也是由无义突变引起的。

David Bedwell博士和Steven Rowe博士说，这种药物是一种具有新颖作用机制的小分子药物。贝德韦尔是阿拉巴马大学伯明翰分校生物化学和分子遗传学系的教授和主席，而罗伊是阿拉巴马大学医学院的教授。

要理解无意义的突变如何导致疾病，以及实验药物如何抑制突变，需要仔细研究细胞内制造蛋白质的生物机制。

蛋白质是由数百个氨基酸组成的链，然后折叠成合适的形状，移动到合适的位置来执行它的功能。这条链是由核糖体一个接一个地组成的，核糖体读取信使RNA所携带的蛋白质的序列。该序列指示在每个连接处添加20种不同氨基酸中的哪一种。

在囊性纤维化疾病中，突变影响了CFTR蛋白，该蛋白在肺细胞表面起作用，调节流向粘液的水。CFTR的故障或缺失会产生非常粘稠的粘液，导致肺部感染。一个基因突变改变了信使RNA的一个核苷酸碱基，可能导致错误的氨基酸被放置在蛋白质链中，从而改变其功能。Bedwell和Rowe研究的无意义的过早终止密码子导致了另一个问题——突变迫使核糖体中途停止蛋白质合成，产生不完全蛋白质。它也会导致无意义介导的信使rna衰减。

因此，Bedwell, Rowe和同事们想要找到小分子化合物，使核糖体跳过无意义的过早停止突变，允许核糖体继续完全合成蛋白质。他们希望找到一种机制新颖、功能比现有药物更好的通读剂，比如疗效较差的氨基糖苷类抗生素。

研究人员使用了从深海虾中提取的经过修饰的基因的老鼠细胞来测试数十万种化合物。该基因编码NanoLuc荧光素酶，但需要在中间基因中放置一个提前终止密码子。一个能让核糖体读取过早停止的小分子会产生完整的荧光素酶，使细胞发出明亮的荧光。

这种报告基因使南方研究所的一个研究小组通过高通量筛选测试了771345种化合物。在180个显示透读活性的化合物中，小分子SRI-37240的活性最强。

在大鼠细胞培养中，研究人员发现，SRI-37240能够恢复具有提前终止密码子突变的人类CFTR基因的功能。显著增加了CFTR蛋白的含量，略微增加了CFTR信使RNA的含量。已知一种名为G418的氨基糖苷有助于解读早熟密码子突变，研究人员发现，SRI-37240和G418在恢复CFTR功能方面具有协同作用。

他们发现，SRI-37240诱导了信使RNA终止密码子处的长时间停顿，并抑制了过早终止密码子处蛋白质合成的终止，而没有刺激信使RNA末端蛋白质编码序列的正常终止密码子的通读。

药物化学家合成了40个SRI-37240的衍生物，其中一个SRI-41315更有效，表现出更好的物理化学特征。在含有NanoLuc报告基因的人类细胞系中，SRI-41315的通读效率远远高于SRI-37240，且与G418有协同作用。

核糖体复合体包括核糖体蛋白和其他作为终止因子、翻译因子和无意义介导的mRNA衰减因子的蛋白质。研究人员观察了其中7种蛋白质的丰度，发现SRI-41315通过蛋白酶体降解依赖的途径显著减少了一种名为eRF1的单一终止因子。这种新的机制以前从未见过用于药物。

为了预测囊性纤维化的临床疗效，研究人员测试了具有内源性CFTR过早终止密码子的原代人类支气管上皮细胞。单独使用SRI-37240和SRI-41315均不能增加CFTR功能，但与G418联合使用后，CFTR功能显著增加。

贝德韦尔和罗说，这是进步，但障碍仍然存在。不幸的是，这两种化合物对上皮细胞钠通道介导的离子电导有有害的影响，这限制了它们目前作为囊性纤维化治疗手段的发展。已知的氨基糖苷类药物的通读效应也很有限，因为这些抗生素不能恢复CFTR的治疗水平，而且它们还必须静脉注射，可能有毒性。

Bedwell和Rowe说，越来越可能的是，需要多种具有不同作用机制的不同药物才能产生临床有效的反应。他们总结道:“虽然还需要进一步的药物化学来识别能够最大限度地影响CFTR功能而不产生不良脱靶效应的通读化合物，但这里提出的结果表明，这一途径显然是可以实现的。”

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A small molecule that induces translational readthrough of CFTR nonsense mutations by eRF1 depletion