Nature背靠背揭示了癌症和代谢紊乱重要靶点ATP 中央控制
撰文 | 亦初
责编 | 兮
三羧酸循环是三大营养素（糖类、脂类、氨基酸）代谢的共同通路，也是糖类、脂类、氨基酸合成和转化的枢纽。ATP-柠檬酸裂解酶（ACLY）是连接葡萄糖分解代谢和胆固醇、脂肪酸合成代谢过程中最为关键的酶（图1）【1】，在ATP和辅酶A（CoA）存在下能催化细胞质中的柠檬酸生成乙酰辅酶A和草酰乙酸。我们知道乙酰辅酶A不仅是胆固醇和脂肪酸从头合成的重要原料，还是蛋白质乙酰化修饰反应的底物。 我可能比你更了解你的性格
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图1 ACLY作为脂代谢过程的中心酶
有意思的是ACLY在肝癌、结直肠癌、肺癌、前列腺癌、膀胱癌和胃癌等多种癌症中蛋白表达量增加，敲低或抑制ACLY的酶活可使癌细胞生长受阻，因此乙酰辅酶A的代谢调控有望成为肿瘤的又一手段（详见：Cell Metabolism丨钦伦秀团队揭示乙酰辅酶A代谢在肝
癌转移中的重要作用）。由此可见ACLY是抗肿瘤药和降脂药的重要靶点（图2）。自1990年就开始开发ACLY抑制剂，然而仅有用于高胆固醇血症的Bempedoic acid进入了临床III期【2】。我们知道蛋白质的三维结构是靶向药物设计的基础，但ACLY全酶四聚体的结构仍未取得突破。倒档器
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图2 ACLY抑制剂调控脂代谢的作用机制
近日，来自美国哥伦比亚大学大学生物科学系的Liang Tong团队和比利时根特大学（比利时学术排名第一的综合性研究型大学）生物化学与微生物系的Kenneth Verstraete团队分别在Nature上发表了题为An allosteric mechanism for potent inhibition of human ATP-citrate lyase和Structure of ATP citrate lyase and the origin of citrate synthase in the Krebs cycle的研究工作，他们报道了ACLY全酶四聚体的三维结构，设计出了高亲和力的变构抑制剂，并揭示了还原型和氧化型三羧酸循环中柠檬酸合酶的演化。
人类ACLY蛋白含有1101个氨基酸，可分为6个结构域（图3）；
图3 ACLY结构域示意图
结构域1能结合CoA、结构域2中的His760磷酸化是催化反应的关键位点、结构域3和4形成的ATP折叠能结合ATP、结构域5能结合柠檬酸、而位于羧基端的结构域6氨基酸序列与柠檬酸合酶（CS）则有微弱的同源性。480kD的ACLY蛋白复合物是由同四聚体组成，整个柠檬酸裂解反应经由四步催化完成（图4）。
图4 ACLY的生化反应机理
早先只解出了前五个结构域（1-820个氨基酸）的结构，但它不能形成四聚体，也没法完成柠檬酸裂解完整的反应，得到的结构信息有限。
HSCSBLiang Tong团队和Nimbus Therapeutics（专注于研发代谢紊乱、肿瘤和免疫等疾病的小分子药物）公司筛选到人类ACLY高亲和力的抑制剂（2-羟基-N-芳香基苯磺酰胺类，NDI-091143半抑制浓度IC50为2.1 ± 0.3 nM，之前的抑制剂如2-hydroxy-N-arylbenzenesulfonamides IC50为130 nM）。发现该化合物能显著提高ACLY蛋白全长或N端蛋白（1-820aa）的稳定性。接着他们用冷冻电镜技术cryo-EM解析了ACLY全酶四聚体的三维结构，总体分辨率3.67埃，N端片段结构分辨率为4.11埃，四聚体的结合中心分辨率更是达到3.2埃（图5）。
钽酸锂晶片智能开关方案图5 ACLY全酶的四聚体结构
通过结构可以看出ACLY四聚体是通过催化中心结构域CS（citryl-CoA转变成OAA和乙酰辅酶A）的α螺旋紧密结合形成了四个原聚体，蛋白N端位于外围；Citryl-CoA在一个原聚体N端柠檬酸和CoA结合结构域形成，然后转位到另一个原聚体CCLY活性位点完成催化反应，该结构也解释了ACLY只能在四聚体形式才能完成整个反应的原因。
通过结构分析发现NDI-091143结合在ACLY的柠檬酸结构域（上图标蓝的结构域5部分）的疏水小室中（与柠檬酸的结合位点不同），有意思的是该结合使ACLY产生了变构效应，结合后结构发生了较大的变化，使得Ile344的侧链移动约6 埃，这正好位于柠檬酸结合位点，从而阻断了柠檬酸的结合；识别柠檬酸的Arg379胍基移动了约12 埃，使其不能识别柠檬酸，从而使柠檬酸不能与ACLY结合。在复合物中NDI-091143与柠檬酸结构域有广泛相互作用，如酚羟基氧原子与Gly380的酰胺N形成氢键，磺酰胺的酰胺基团与Arg378的羰基形成氢键，三个苯环与ACLY形成广泛的范德华相互作用。该机制的发现极大地增强了ACLY的可成药性，为开发癌症和代谢紊乱的药物提供奠定了坚实的基础。擦鞋巾配方
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