離子通道通透離子進出細胞,是生物體電活動的分子基礎。離子通道具有調節神經系統電信號傳導和心臟跳動等重要生理功能。目前已知有60多種與離子通道功能失常相關的人類疾病(channelopathies),如癲癇和心率失常。基因突變主要通過四種機制造成離子通道功能異常:

1、改變基因的轉錄和翻譯等過程;

2、造成離子通道蛋白折疊組裝異常、膜運輸缺陷;

3、改變離子通道的門控和動力學特性;

4、改變離子通道的離子選擇性等。不同離子通道致病突變體因而需要不同的策略來恢復其功能,從而實現離子通道疾病的精準化治療。

目前離子通道化合物篩選方法主要關注調節離子通道門控和動力學特性的化合物(如阻斷劑和激活劑),而有關調控離子通道生物生成(Biogenesis)化合物的研究則較少。然而,越來越多的研究表明基因突變導致離子通道折疊異常、進而造成蛋白滯留在內質網是離子通道疾病的一種重要致病機制因此,急需構建能夠在生理條件下高通量篩選從不同層面(電生理特性和生物學生成過程等)調控離子通道功能的化合物的方法。

9月26日,中科院神經科學研究所、中科院腦科學與智能技術卓越創新中心、神經科學國家重點實驗室蔡時青研究組與首都醫科大學附屬北京安貞醫院蘭峰教授團隊合作在Nature Communications在線發表了題為Identification of small-molecule ion channel modulators in C. elegans channelopathy models的研究論文,在離子通道疾病線蟲模型中篩選出了調控離子通道功能的小分子化合物。該研究構建了在小動物體系高通量篩選靶向作用于離子通道的化合物的方法,找到了一些能夠恢復致病離子通道突變體功能的化合物、并闡明其作用機制,為離子通道疾病的治療提供了新策略

hERG(Human ether-a-go-go-related gene)鉀離子通道主要介導心肌細胞動作電位的復極化過程,其功能異常會導致長QT綜合癥(一種心律失常疾病),甚至引起猝死。模式動物秀麗線蟲的UNC-103鉀通道和hERG高度同源,控制著線蟲運動、產卵等重要的行為。

在該研究中,研究人員把人的hERG鉀離子通道表達在線蟲中,由于鉀通道功能增強會嚴重改變線蟲神經元和肌肉細胞的興奮性,使線蟲產生明顯的行為缺陷(如產卵和運動);hERG鉀離子通道功能變化將導致線蟲行為改變,這為離子通道化合物篩選提供了便利的檢測指標。研究人員通過線蟲行為和相應的熒光蛋白標記篩選了約14,800個小分子化合物,成功找到了抑制hERG通道膜運輸化合物ALA和恢復運輸缺陷型hERGA561V通道功能的化合物Prostratin和IDB。Prostratin和IDB促進hERGA561V突變通道膜運輸,提高hERG通道功能,并能夠糾正人誘導多能干細胞(hiPSC)分化成的長QT 綜合癥心肌細胞的電生理異常。進一步的研究揭示Prostratin和IDB通過激活PKCε信號、進而磷酸化位于hERG通道的孔道區的S606位點來提高hERGA561V功能

圖注:A,構建線蟲通道疾病模型篩選通道化合物策略的總體示意圖。B,利用轉基因線蟲篩選通道阻斷劑和激活劑或功能矯正劑(能夠恢復突變離子通道的功能)的策略示意圖。

該研究建立的線蟲離子通道化合物篩選方法容易構建,操作簡單、通量較高且成本低廉,使得離子通道化合物的初步篩選能夠在一個常規的實驗室就可以開展。結合目前已開發的線蟲行為高通量分析平臺,基于線蟲離子通道疾病模型的化合物篩選方法將會在離子通道藥物開發中發揮著重要作用。

據悉,該研究工作主要由博士研究生江強李凱蔡時青研究員、蘭峰教授指導下共同完成,北京安貞醫院的魯文靜博士、中科院上海營養與健康研究院丁秋蓉課題組李爽等參與了該項研究。

文章來自于BioArt

責編丨迦溆




2018年09月30日

Identi?cation of small-molecule ion channel modulators in C. elegans channelopathy models(1)
MSCeasy 人間充質干細胞培養基

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蔡時青/蘭峰合作組構建一種新的離子通道藥物篩選系統

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