痛风药物抑制尿酸转运体URAT1的分子机制解析：从结构到治疗新策略

痛风和高尿酸血症的临床治疗面临药物毒性大、疗效不足等挑战。杜克大学团队通过冷冻电镜技术解析了尿酸转运体URAT1与三种抑制剂（BBR/LESU/TD-3）的复合物结构，首次揭示其选择性结合内向开放构象的非竞争性抑制机制，为设计新一代高效低毒URAT1抑制剂提供了关键结构基础。研究成果发表于《Nature Communications》。

　　

痛风作为一种古老的疾病，如今正以惊人的速度席卷全球。数据显示，发达国家男性痛风患病率高达6.8%，美国高尿酸血症人群占比达21%，而全球部分地区甚至达到36%。这种由尿酸结晶引发的炎症性关节炎，不仅带来剧烈疼痛，还与心血管疾病、肾功能衰竭等严重并发症密切相关。问题的核心在于肾脏中一个名为URAT1（尿酸转运体1）的蛋白质——它负责将90%经肾小球滤过的尿酸重新吸收回血液，成为调控血尿酸水平的关键闸门。

尽管临床上使用苯溴马隆（BBR）等URAT1抑制剂已数十年，但肝毒性等问题始终困扰着治疗选择。2015年获批的雷西纳德（LESU）需联合用药且疗效有限，而新型化合物TD-3虽展现出优异特性，但药物设计的瓶颈始终存在：URAT1的抑制分子机制长期处于"黑箱"状态。

杜克大学的研究团队通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，首次捕获了URAT1与三种临床相关抑制剂（BBR、LESU和TD-3）的高分辨率复合物结构，分辨率最高达2.55 ?。结合分子动力学（MD）模拟和功能实验，研究揭示了这些药物通过独特的"内向开放构象锁定"机制实现非竞争性抑制，颠覆了传统转运体抑制剂多靶向外向构象的认知。

关键技术方法包括：

1. 采用共识突变策略优化URAT1_CS
   构建体（与野生型结合腔100%同源）
2. 冷冻电镜解析四种状态结构（apo、BBR、LESU、TD-3结合态）
3. ¹⁴
   C-尿酸摄取实验验证非竞争性抑制动力学
4. 全原子分子动力学模拟（1 μs×5重复）分析结合稳定性
5. 结合腔关键残基突变的功能验证

URAT1_CS
结合抑制剂的内向开放构象
研究团队发现所有抑制剂都结合在URAT1的内向开放构象中，中央结合腔由TM1-2-4-5-7-8-10跨膜区共同形成，显著区别于典型MFS转运体的4螺旋结合腔。这种特殊的构象使抑制剂能同时占据芳香钳（F241/F449）和疏水区（Y152/M214等），而外向构象因空间限制完全无法容纳抑制剂分子。

URAT1药物的非竞争性抑制机制
通过系统动力学分析，研究者首次证实BBR、LESU和TD-3均为非竞争性抑制剂（拟合优度Sy.x显著优于竞争性模型）。这与URAT1在肾小管顶膜的特殊定位一致——药物需从基底侧膜进入细胞后才能接触靶点，这种"由内而外"的抑制模式为肾脏特异性药物设计提供了新思路。

中央结合腔的三维特征
结构分析将结合腔划分为三个功能区域：

1. 疏水区（TM2/TM4）：Y152、L153、I156、M214
2. 芳香钳（TM5/TM7/TM10）：F241、F360、F364、F365、F449
3. 极性区（TM1/TM4/TM5/TM8）：S35、T217、N237、S238、D389、K393
   功能实验显示F364A突变完全丧失活性，而K393R无法恢复功能，证实这些残基对转运活性的关键作用。

三种抑制剂的结合特性
BBR通过溴代苯酚基与芳香钳形成π-π堆叠，其中F364的突变使IC₅₀
提升50倍。MD模拟显示中性BBR比阴离子态更稳定，其超高亲脂性（XLogP3=5.7）可能解释其强效但多靶点效应的特性。LESU和TD-3则通过萘环占据疏水区，羧酸根与M214形成S-π相互作用。特别值得注意的是，TD-3诱导TM5发生10°弯曲以避免与N237的空间冲突，这种构象选择机制可能是其优于LESU的结构基础。

构象动态与药物特异性
研究发现TD-3结合会引发TM5在G240处的构象变化，不仅扩大结合腔容积，还改变局部静电环境。这种"构象选择"而非"诱导契合"的机制，为理解URAT1如何适应不同大小的单羧酸反底物提供了新视角。

这项研究从根本上改变了人们对URAT1抑制机制的认识：不同于多数转运体抑制剂稳定外向构象，URAT1抑制剂通过"内向构象捕获"发挥作用。该发现不仅解释了现有药物的作用特性（如BBR的高效多效性、LESU的局限性），更指明了新一代抑制剂的设计方向——优化对芳香钳和疏水区的双重作用，平衡亲脂性与特异性相互作用（如TD-3对S238的氢键）。

研究建立的URAT1_CS
平台虽转运活性降低，但完美保留了抑制剂结合特性，为其他难表达膜蛋白研究提供了范本。随着痛风全球负担的持续加重，这些原子级别的结构见解将加速开发更安全有效的降尿酸药物，最终改善数百万患者的治疗前景。