冷凍電鏡（cryo-EM）解析了一種幫助調(diào)節(jié)血壓的蛋白質(zhì)，即血管緊張素轉(zhuǎn)換酶（ACE）的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)提供了迄今為止對(duì)ACE的最全面的看法，將有助于改善心臟病的藥物設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)工作是由開普敦大學(xué)（UCT）的研究人員與英國(guó)同步輻射光源"DIAMOND"的電子生物成像中心（eBIC）合作完成的。研究人員在《EMBO Journal》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果（"冷凍電鏡揭示了血管緊張素I轉(zhuǎn)化酶的異構(gòu)化和二聚化機(jī)制"）。

ACE會(huì)產(chǎn)生激素血管緊張素II，使血管收縮并提高血壓。高血壓是心臟病和中風(fēng)的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

與以前的方法相比，冷凍電鏡使研究人員能夠在更多的功能相關(guān)狀態(tài)下觀察到ACE。他們的工作為其生物功能和潛在的藥物結(jié)合特性提供了關(guān)鍵性的見解。

ACE蛋白的一個(gè)副本（即單體形式）是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)相似但功能不同的結(jié)構(gòu)域連接而成的。二聚體化（即兩個(gè)ACE單體的相互作用）發(fā)生在一個(gè)小的表面空腔附近，改變了對(duì)ACE功能至關(guān)重要的核心氨基酸的構(gòu)象。

研究人員提出，這種二聚體化可能像一個(gè) "關(guān)閉開關(guān)"，觸發(fā)蛋白質(zhì)核心的變化，并可能抑制它。如果能設(shè)計(jì)出一種類似藥物的分子在腔內(nèi)結(jié)合并引起同樣的效果，它就能提供一種新的手段來使該酶失活。

目前，許多ACE抑制劑在臨床上可用于治療高血壓。但這些抑制劑非選擇性地針對(duì)兩個(gè)ACE結(jié)構(gòu)域，并因此會(huì)在一些患者中引發(fā)副作用。

開普敦大學(xué)教授、該研究的主要研究者Edward Sturrock博士解釋說:

“了解這些新發(fā)現(xiàn)的ACE結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)至關(guān)重要，這可能針對(duì)結(jié)構(gòu)域選擇性抑制劑的設(shè)計(jì)提供新的結(jié)合位點(diǎn)，進(jìn)而規(guī)避副作用。”

ACE蛋白在Sturrock的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)，在UCT的電子顯微鏡單元（EMU）進(jìn)行成像前的準(zhǔn)備，并在之后轉(zhuǎn)運(yùn)到eBIC，在Titan Krios上進(jìn)行冷凍電鏡成像。圖像處理在南非的CSIR高性能計(jì)算中心（CHPC）和EMU進(jìn)行。“即使有高分辨率的成像，ACE的獨(dú)特形狀、小分子量和高度動(dòng)態(tài)等特征也帶來了許多挑戰(zhàn)。"該研究的共同作者之一Jeremy Woodward博士解釋道。

該研究的第一作者Lizelle Lubbe博士解釋說：

"最近開發(fā)的冷凍電鏡圖像處理方法對(duì)解析這些結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。"

我們必須通過廣泛的分類來計(jì)算分離圖像，這一過程相當(dāng)于'數(shù)字純化'，因?yàn)樯椒o法分離ACE的單體和二聚體形式。然后，我們可以將三維細(xì)化的重點(diǎn)依次放在結(jié)構(gòu)的不同部分，從而解析這兩種ACE結(jié)構(gòu)"。

該研究的發(fā)現(xiàn)獨(dú)特地揭示了ACE的高度動(dòng)態(tài)特征，以及其不同結(jié)構(gòu)域之間發(fā)生二聚體化和交流的機(jī)制--這可能啟發(fā)治療心臟病的新藥。

DIAMOND科學(xué)組組長(zhǎng)克里斯-尼克林博士說：

“我們對(duì)非洲的杰出科學(xué)家團(tuán)隊(duì)利用eBIC先進(jìn)的冷凍電鏡取得的這項(xiàng)研究結(jié)果感到高興。世界迫切需要針對(duì)致命的心臟病和其他慢性健康狀況的可持續(xù)解決方案。我們非常高興的是，這項(xiàng)研究的結(jié)構(gòu)見解可以為改進(jìn)抗高血壓藥物設(shè)計(jì)鋪平道路?！?/p>

相關(guān)文獻(xiàn)：

Cryo-EM Structures of a Key Hypertension Protein to Aid Drug Design

Cryo-EM揭示了血管緊張素I轉(zhuǎn)化酶的

異構(gòu)化和二聚化的機(jī)制

高血壓（高血壓）是心血管疾病的一個(gè)主要風(fēng)險(xiǎn)因素，而心血管疾病是全世界死亡的主要原因。血管緊張素I轉(zhuǎn)化酶（sACE）的體細(xì)胞異構(gòu)體在血壓調(diào)節(jié)中起著關(guān)鍵作用，因此ACE抑制劑被廣泛用于治療高血壓和心血管疾病。

我們目前對(duì)sACE結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)、功能和抑制作用的理解是有限的，因?yàn)榻囟痰?、最小的糖基化形式的sACE通常被用于X射線晶體學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)模擬。在這里，我們首次報(bào)告了全長(zhǎng)的、糖基化的、可溶性的sACE（sACES1211）的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。這個(gè)高度靈活的apo酶的單體和二聚體形式都是由一個(gè)數(shù)據(jù)集重建的。單體sACES1211的N端和C端結(jié)構(gòu)分別在3.7和4.1?被解析，而負(fù)責(zé)二聚體形成的相互作用的N端結(jié)構(gòu)則在3.8?被解析。此外，觀察到兩個(gè)結(jié)構(gòu)域都處于開放構(gòu)象，這對(duì)設(shè)計(jì)sACE調(diào)節(jié)劑有意義。

"Cryo-EM reveals mechanisms of angiotensin I-converting enzyme allostery and dimerization"

https://doi.org/10.15252/embj.2021110550

水木未來·視界丨iss. 23

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