端粒是真核生物染色體末端的保護(hù)結(jié)構(gòu)，隨著細(xì)胞分裂而縮短。端粒酶是一種核糖核蛋白復(fù)合物，能夠延長端粒DNA，維持基因組穩(wěn)定性。在大多數(shù)正常體細(xì)胞中端粒酶活性被抑制，但在約90%的癌細(xì)胞中端粒酶被異常激活，成為細(xì)胞永生化的關(guān)鍵，因此端粒酶是一個(gè)重要的抗癌藥物靶點(diǎn)。BIBR1532是一種高選擇性的小分子端粒酶抑制劑，但其半抑制濃度較高，生物利用度差，限制了臨床應(yīng)用。更關(guān)鍵的是，此前基于低等昆蟲赤擬谷盜TERT蛋白結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的藥物優(yōu)化未能成功，因?yàn)槿藗儗IBR1532在人類端粒酶上的確切結(jié)合位點(diǎn)和抑制機(jī)制缺乏了解。

本研究于2026年6月2日在線發(fā)表在《Nature Chemical Biology》上，題為Structures of human telomerase with BIBR1532 reveal novel mechanism of inhibition。由美國加州大學(xué)洛杉磯分校的Juli Feigon教授課題組主導(dǎo)，共同第一作者為王昱清、劉保成，以及何堯。研究利用冷凍電子顯微鏡技術(shù)，解析了9種不同狀態(tài)下人類端粒酶全酶的高分辨率結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)到2.7至3.4埃。通過結(jié)合生化活性實(shí)驗(yàn)，研究者首次揭示了BIBR1532在人類端粒酶上的真實(shí)結(jié)合口袋，并闡明了其抑制機(jī)制，同時(shí)解釋了以往藥物改造失敗的原因。

研究發(fā)現(xiàn)，BIBR1532并未結(jié)合在以往認(rèn)為的CTE結(jié)構(gòu)域，而是結(jié)合在一個(gè)全新的變構(gòu)口袋中，該口袋位于TERT蛋白的手指結(jié)構(gòu)域和手掌結(jié)構(gòu)域之間，遠(yuǎn)離活性中心。該口袋由手指、motif B、motif 3等多個(gè)關(guān)鍵基序共同構(gòu)成，BIBR1532的結(jié)合會引起附近幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸殘基的構(gòu)象變化來容納它。

與大多數(shù)DNA聚合酶在結(jié)合底物dNTP時(shí)發(fā)生的手指閉合構(gòu)象變化不同，人類端粒酶的手指結(jié)構(gòu)域被其特有的TRBD結(jié)構(gòu)域牢牢固定，幾乎不發(fā)生移動。這種手指的剛性結(jié)構(gòu)是端粒酶催化速率慢、保真度低的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

通過單步核苷酸添加實(shí)驗(yàn)，研究者發(fā)現(xiàn)BIBR1532對所有添加步驟都有抑制，但對第一個(gè)核苷酸添加步驟的抑制效果最為顯著，達(dá)到約60%抑制，而對后續(xù)步驟的抑制較弱，僅為10%至20%。在解析第一個(gè)核苷酸添加步驟的結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)BIBR1532的存在使得樣品中出現(xiàn)了多個(gè)中間狀態(tài)，表明BIBR1532阻礙了模板DNA雙鏈在活性中心發(fā)生轉(zhuǎn)位所需的構(gòu)象動態(tài)變化。

綜合以上發(fā)現(xiàn)，研究者提出BIBR1532并不直接阻斷底物結(jié)合或催化，而是通過結(jié)合在手指與手掌之間的變構(gòu)口袋，抑制端粒酶內(nèi)部多個(gè)結(jié)構(gòu)元素所需的協(xié)同構(gòu)象變化，從而阻礙模板DNA雙鏈在每次核苷酸添加后的有效轉(zhuǎn)位，尤其顯著拖慢了第一步轉(zhuǎn)位的速率。該結(jié)構(gòu)模型清晰解釋了為何此前基于昆蟲模型設(shè)計(jì)的BIBR衍生物效果不佳，因?yàn)檫@些修飾會與人類TERT口袋中的特定殘基發(fā)生空間位阻。這項(xiàng)工作為基于真實(shí)人類TERT結(jié)構(gòu)進(jìn)行更高效的藥物優(yōu)化提供了理性設(shè)計(jì)路徑。

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