文章信息
文章题目：Structure-guided discovery of bile acid derivatives for treating liver diseases without causing itch
期刊：Cell
发表时间：2024年10 月29日
主要内容：北京大学雷晓光课题组联合北京大学李毓龙课题组，及北京佑安医院陈煜课题组，在Cell杂志上发表了文章Structure-guided discovery of bile acid derivatives for treating liver diseases without causing itch，该研究系统地揭示了人体内源“天然产物”分子胆酸诱导胆汁淤积瘙痒的分子机制，并且开发出针对多种肝胆疾病具有良好治疗效果且不存在瘙痒副作用的先导药物分子。
原文链接：http://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.001
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研究背景
瘙痒自古以来一直被人们所关注，现代医学已表明，组胺依赖的急性瘙痒，如过敏或蚊虫叮咬等，可通过抗组胺类药物有效缓解。然而，非组胺依赖的全身性慢性瘙痒却无法通过这种药物进行治疗，因此困扰了大量慢性瘙痒患者。
胆酸在人体中具有至关重要的生理功能，主要参与脂肪的消化吸收和胆固醇的代谢调节。胆酸通过肠肝循环不断再利用，维持着机体的代谢平衡。然而，当胆汁流动受阻，发生胆汁淤积时，胆酸无法正常代谢并在体内积累，导致约80%的胆汁淤积患者出现严重的慢性瘙痒，极大地影响他们的生活质量。迄今为止，导致胆汁淤积瘙痒的分子机制仍不明确，且缺乏有效的治疗药物。
文章概述
首先，该研究团队收集到数十例有瘙痒症状或无明显瘙痒症状的胆汁淤积病人血浆样本。通过分析这些样本发现在伴有瘙痒症状的胆汁淤积患者中，一种包含了特殊修饰的3位羟基磺酸化胆酸（BA-3S）含量显著增高，磺酸化修饰的胆酸很可能也与胆汁淤积病人的瘙痒症状有着密切的联系，有望用于预测和监测瘙痒的发生。那么，磺酸化修饰后的胆酸是如何导致胆汁淤积病人产生瘙痒症状的呢？
接下来，研究者针对这一分子机制展开了详细的研究。研究者怀疑，是不是磺酸化后的胆酸对于hX4具有更强的亲和力，从而产生这种更为严重的瘙痒现象。为了证明这一点，研究者测试了不同修饰类型的胆酸对于hX4的激活活性，结果表明胆酸的3号位羟基（3-OH）对于激活hX4具有非常重要的作用，其被磺酸化修饰后显著提高了亲和力，被氧化后则显著降低了激活活性。接着，研究者发现DCA和DCA-3S这两种胆酸都能够导致人源化大鼠产生瘙痒症状，并且DCA-3S能够产生更为严重的瘙痒。那么磺酸化修饰是如何增强胆酸对于hX4的亲和力的呢？
研究者推测磺酸化胆酸活性的提高可能与磺酸基团携带了一个负电荷有关。研究者通过人工合成的3位磷酸化修饰胆酸DCA-3P成功解析了胆酸类化合物与hX4的复合物结构，首次揭示了胆酸是如何激活hX4的分子机制。
正如所预测的那样，DCA-3P的磷酸部分（P-Head）被锁定在富含正电氨基酸的结合腔中，这种静电相互作用正是导致磺酸化和磷酸化胆酸激活活性提升的主要原因。此外，研究者也发现，DCA-3P中部的疏水部分（H-Middle）通过疏水相互作用被hX4中间丰富的疏水氨基酸所稳定。这些研究详细阐明了胆酸激活hX4的分子机制，展示了3-OH基团和磺酸化修饰在激活hX4过程中发挥的关键作用，为我们理解胆酸诱发瘙痒提供了全新视角。
随后研究者也同时关注到现有临床药物奥贝胆酸（OCA）在治疗过程中的瘙痒副作用，推测OCA产生瘙痒的副作用可能也是通过激活hX4来实现的。进一步通过分子、动物、人体等多方位的角度证实，OCA确实可以激活hX4并且在人源化大鼠模型，甚至人体上产生剂量依赖性的瘙痒症状。因此，OCA导致瘙痒副作用的靶点确实就是hX4。
为了研究C7的全基因组效应，研究人员对C7和OCA处理后的HepG2细胞进行了RNA测序分析。结果证实了C7在治疗NASH等肝脏疾病方面依然具备显著疗效，且不会引发瘙痒问题。进一步研究发现，C7在胆汁淤积和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）模型中展现出强大的肝保护作用和抗纤维化潜力，其有望成为治疗胆汁淤积和NASH等肝病的创新药物。
综上所述，该研究工作围绕胆汁淤积瘙痒和肝病治疗新策略两个方面展开了非常系统的研究。第一个方面，从临床样本出发，结合高分辨质谱发现3位羟基磺酸化修饰胆酸在瘙痒胆汁淤积病人体内显著升高，它们能够通过增强对于hX4的激活活性从而导致更为严重的瘙痒症状。此外，利用冷冻电镜技术，解析了hX4与胆酸类似物的复合物结构，详细地阐明了胆酸的3-OH对于激活hX4的重要作用。第二个方面，研究者针对OCA在临床上导致瘙痒副作用开展了一系列的机制和分子改造研究。首先证实OCA通过激活hX4导致瘙痒副作用，接着根据发现的胆酸激活hX4的分子机制，精准地对OCA进行化学改造，成功地获得了失去瘙痒副作用，并且保留了肝病治疗活性的新一代药物分子C7，为临床肝病治疗提供了全新的可能性，有望彻底解决OCA在临床上应用中遇到的瘙痒难题。
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数据展示
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使用TransStart® FastPfu DNA Polymerase (AP221)产品发表的部分文章：
• Yang J, Zhao T J, Fan J P, et al. Structure-guided discovery of bile acid derivatives for treating liver diseases without causing itch [J]. Cell, 2024.
• Wang Y, Zhang S, Yang X, et al. Mesoscale DNA feature in antibody-coding sequence facilitates somatic hypermutation[J]. Cell, 2023.
• Zhang H, Zhu Y, Liu Z, et al. A volatile from the skin microbiota of flavivirus-infected hosts promotes mosquito attractiveness[J]. Cell,2022.
• Lei Z, Meng H, Liu L, et al. Mitochondrial base editor induces substantial nuclear off-target mutations[J]. Nature, 2022.
• Chen J, Ou Y, Yang Y, et al. KLHL22 activates amino-acid-dependent mTORC1 signalling to promote tumorigenesis and ageing[J]. Nature, 2018
• Fan J, Ran H, Wei P L, et al. Pretrichodermamide A Biosynthesis Reveals the Hidden Diversity of Epidithiodiketopiperazines[J]. Angewandte Chemie, 2023.
• Song Z, Zhou S, Zhang H, et al. Fungal secondary metabolism is governed by an RNA-binding protein CsdA/RsdA complex[J]. Nature Communications, 2023.
• Lei Y, Fei P, Song B, et al. A loosened gating mechanism of RIG-I leads to autoimmune disorders[J]. Nucleic acids research, 2022.
• Zhang H, Li Z, Zhou S, et al. A fungal NRPS-PKS enzyme catalyses the formation of the flavonoid naringenin[J]. Nature Communications, 2022.
• Li Y, Zhao L, Zhang Y, et al. Structural basis for product specificities of MLL family methyltransferases[J]. Molecular Cell, 2022.
