在理性药物设计的一个重大进展中，德州农工大学的一个农业生命团队描述了细胞过程中一个关键角色的几个蛋白质结构。这一进展可能为老年痴呆症、艾滋病、癌症和其他疾病的治疗带来新思路。

具体来说，这项工作描述了蛋白激酶C (PKC)的C1结构域，PKC有助于调节该蛋白在生物体中的活性。在这些结构中，C1结构域包裹在具有强烈治疗兴趣的不同分子周围，为设计候选药物提供了第一个可靠的、原子分辨率的指南。

这项研究发表在5月16日的《自然通讯》杂志上，由德州农工大学农业与生命科学学院生物化学与生物物理系副教授Tatyana Igumenova博士指导。该项目的主要作者是Sachin Katti博士，他是Igumenova的博士后研究员。

这项研究是与生物化学和生物物理系的研究助理教授Inna Krieger博士和教授James Sacchettini博士合作完成的。

健康细胞对化学信号的反应是精确而复杂的。接受来自细胞环境的化学输入并将其转发到细胞核内的中央控制系统是像PKC这样的特化蛋白的任务。

不恰当的PKC活性出现在许多人类疾病中。因此，人们对寻找与药物一起微调PKC活性的方法很感兴趣。这种药物的设计将为治疗阿尔茨海默病、艾滋病、癌症等疾病提供新的方法。

Igumenova说:“蛋白激酶C是细胞生物学和药理学中研究最深入的蛋白质之一。”“一个主要障碍是缺乏指导药物设计工作的精确结构信息。”

药物设计的一个复杂之处是PKC家族有11个成员。不同的PKC家族成员可能具有相反的生理作用，因此一个成功的候选药物必须对其靶向的PKC有选择性。

要做到这一点，候选药物必须符合靶标PKC，就像锁的钥匙一样。但是确定PKC“on-switch”(即C1结构域)与PKC激活因子结合的三维结构并不容易。

蛋白质结构通常用x射线晶体学来解决。这项技术包括使用x射线来确定晶体中原子的位置。对于这种方法，研究人员需要创造条件，使感兴趣的蛋白质结晶。然而，在过去的30年里，许多实验室的努力都未能得到与相关配体结合的C1结构域晶体。Igumenova说，由于缺乏进展，许多研究人员宣布这项任务不可能完成。

解决30年的问题

Katti和Igumenova认为这个问题很有挑战性，于是决定用核磁共振、核磁共振和光谱学来研究溶液中的分子。这涉及到找到合适的成分来模拟细胞膜，在这里C1结构域会遇到配体。

“然后，在一个晴朗的日子里，萨钦发现了在一个旧核磁共振管中形成的晶体，”Igumenova说。“我把所有的功劳都归功于萨钦，他基本上是在说，‘我要去测试它们，看看它们是否真的是蛋白质。他是对的。这让我们有信心，结晶化是可能的。”

反过来，卡蒂相信了核磁共振所获得的洞见，还有一点运气。

“我认为这是做研究的好处，你必须使用多种方法，”他说。“你永远不知道什么时候一种方法会与其他方法一起发挥作用。”

来自核磁共振和x射线晶体学的见解

新的蛋白质结构，连同该团队的核磁共振结果，已经产生了有趣的信息。Igumenova说，一个长期存在的谜团是，C1结构域如何容纳具有非常不同化学结构的配体。

Igumenova说:“我们之前的核磁共振研究表明，与配体结合的C1结构域环是非常动态的。”“这个C1域就像一个吃豆人。它与细胞膜结合，然后寻找配体。一旦它找到配体，就会紧紧抓住。”

此外，该结构表明，配体结合槽底部有“亲水”或亲水的表面，顶部有“拒水”或疏水的表面。

“如果你考虑一个脂类分子，头部基团是亲水的，而尾部基团是疏水的，”Igumenova说。“所以，当C1结构域与脂质配体结合时，模式就匹配了。”

该团队的结果包括与天然配体甘油二酰基结合的C1结构域的结构。此外，该团队还描述了C1的其他几个结构，包括具有不同药理意义的化合物。

这项工作也为测试不同的候选药物提供了一种方法。

“如果你想研究鱼，你就应该研究它们在水里，”卡蒂说。“现在我们知道了如何创建一个膜状环境，在那里这些非常疏水的化合物可以测试C1结合。”

接下来，Katti和Igumenova计划探索其他PKC家族成员的C1域。

Igumenova说:“对我们来说，关注C1结构域很重要，因为它们有内在的差异，可以被利用来实现选择性。”“我们现在发现，并不是所有的C1域都是一样的。”