P-糖蛋白底物多特异性性的结构机制：一种动态构象采样模型

《Drug Resistance Updates》：Structural Insights into P-glycoprotein Substrate Polyspecificity: A Dynamic Conformational Sampling Model

　　

P-糖蛋白（P-gp，亦称ABCB1）是ATP结合盒（ABC）转运蛋白家族成员，可保护组织免受多种外源物质侵害，并参与肿瘤多药耐药。尽管已有大量结构、生化和生物物理研究，其显著底物多特异性性的分子基础仍未被完全阐明。P-gp及其同源蛋白（包括斑马鱼Abcb4）近期结构揭示了广泛构象异质性，并提供了底物与抑制剂识别的新视图。研究人员在本文中整合结构与功能研究，考察药物结合位点构象变异性如何促成P-gp多特异性性；强调内向构象连续体，以及药物结合位点局部架构变化（含跨膜螺旋旋转与倾斜）与转运蛋白两个假对称半体全局开合之间的耦合。研究人员提出动态构象采样模型：不同底物可识别并可能稳定P-gp不同构象状态，某些情况下采用不同结合姿态。该动态观点为理解P-gp复杂药理行为提供框架，并可指导更高效抑制剂开发。

研究背景方面，多药耐药（MDR）指肿瘤细胞同时对多种抗癌药产生抵抗，其中ATP依赖外排泵尤其是ATP结合盒（ABC）转运蛋白ABCB1/P-糖蛋白（P-gp）通过降低胞内药物浓度发挥关键作用。P-gp生理上分布于胃肠上皮、血脑屏障（BBB）、胎盘屏障及肝肾排泄系统，既可保护组织又造成化疗失败。已知P-gp可外排长春碱类、蒽环类、紫杉类、抗体药物偶联物、PROTACs及RAS抑制剂等结构迥异的化合物，但其如何识别并转运众多底物、ATP水解如何偶联易位、活性如何受调控仍不清楚。位点定向突变与半胱氨酸扫描显示结合残基散布于近全部12个跨膜螺旋（TMH），难以定义单一离散药物结合口袋，因此亟需将数十年生化与生物物理发现纳入连贯结构模型。

本文发表在《Drug Resistance Updates》。研究人员系统调研蛋白质数据库（PDB）及PubMed、Google Scholar至2026年7月的文献，汇总P-gp/ABCB1及其动物同源蛋白由X射线晶体学与冷冻电镜（cryo-EM）得到的实验结构，按构象状态分类，并提出运输循环模型。

主要关键技术方法如下：研究人员使用异源表达系统获取蛋白，包括昆虫细胞表达人/鼠P-gp、毕赤酵母（Pichia pastoris）表达鼠P-gp与斑马鱼Abcb4、HEK293系统表达人P-gp；以X射线晶体学解析多位鼠P-gp与秀丽隐杆线虫P-gp的向内面向（IF）结构；以单颗粒cryo-EM解析人/鼠/斑马鱼/黄鳍金枪鱼Abcb4在去垢剂或纳米盘中的多构象结构；利用构象选择性单抗UIC2与MRK16的Fab片段稳定人P-gp的IF-闭塞构象；通过人-鼠嵌合P-gp（hmP-gp）与二硫交联策略限定构象；样本涵盖小鼠、人、斑马鱼（D. rerio）、黄鳍金枪鱼（T. albacares）及线虫来源。

研究结果部分保留小标题说明。2. Structural studies of P-gp and proposed transport cycle：研究人员综述高分辨率结构并将P-gp状态分为IF、IF-occluded、OF-occluded、IF-closed与OF，指出晶体学仅获IF构象，cryo-EM补获多构象。2.1 Crystal structures of P-gp and its homologs are inward-facing：鼠P-gp野生型NBD间距约50 ?，甲基化后约63 ?，线虫同源物达66.5 ?，说明晶体接触限制运动且IF为主。2.2 Cryo-EM structures of P-gp and its homologs determined in multiple conformations：cryo-EM显示OF构象NBD二聚、腔内朝外，底物密度常缺失；IF-occluded态NBD间距约40 ?，被UIC2/MRK16稳定但也可无抗体出现；OF-occluded态捕获维拉帕米且腔双向封闭；IF-closed态D_COM 37.2 ?、TMH4/6/12形成三螺旋束塌缩腔体；IF态D_COM 43–74 ?，斑马鱼Abcb4与黄鳍金枪鱼Abcb4展示跨膜螺旋转动带来的结合面可塑性。2.3 Mechanism of transport：研究人员提出底物在IF态进入、推进至IF-occluded、NBD二聚驱动转OF-occluded、外排后ATP水解复位、IF与自抑制IF-closed平衡。2.4 Structures of P-gp with bound substrates and inhibitors：zosuquidar与elacridar在IF-occluded中姿态可重复，taxol/vincristine/tariquidar姿态各异，verapamil见于OF-occluded，vinblastine在IF态可双分子结合，Abcb4中tariquidar/cholesterol/vincristine显示同源蛋白也具多姿态识别。

讨论与结论部分：研究人员认为P-gp多特异性性并非来自固定单口袋，而来自内向构象连续体中局部跨膜螺旋重排与全局NBD开合耦合形成的动态系综；不同底物/调节剂识别并稳定不同构象，抑制剂偏向滞留非生产态，底物促进生产态转变。该动态构象采样模型（dynamic conformational sampling model）为肿瘤多药耐药、血脑屏障药物递送及P-gp抑制剂设计提供结构框架：未来抑制剂可针对特定构象亚态而非单一静态口袋优化，从而提高癌症化疗敏感性与中枢药物脑内暴露。

研究结论翻译：研究人员提出一种动态构象采样模型，其中多种底物可识别并可能稳定P-gp的不同构象状态，在某些情况下采用不同结合姿态；内向构象连续体及药物结合位点局部架构变化与两个假对称半体全局开合之间的耦合，是P-gp底物多特异性性的结构基础；相较于单一外向构象，内向构象高度多样，这一动态观点可解释P-gp复杂药理行为，并为开发更高效P-gp抑制剂提供框架。