研究团队发现可能的新方法来治疗昏睡病

 
寄生虫的IMP脱氢酶的结构。活性酶形成对(二聚体)，“开关”区域(贝特曼区域)以蓝色阴影显示。吕贝克大学/戴西分校，拉尔斯·雷德克(Lars Redecke)，研究人员使用超高亮度X射线闪光灯找到了一种新的抗昏睡病药物的潜在靶标：科学家们对病原体重要酶的详细空间结构进行了解码，寄生虫布鲁氏锥虫。该结果提供了一种可能特异性阻断这种酶从而杀死寄生虫的药物的蓝图，该团队由汉堡大学的Christian Betzel，吕贝克大学和DESY大学的Lars Redecke以及DESY的Henry Chapman领导。自然通讯杂志。
昏睡病(非洲锥虫病)是一种热带疾病，是由采采蝇的叮咬传播的寄生虫布鲁氏锥虫引起的，该蝇栖息于非洲的许多热带地区。在体内，寄生虫首先在皮肤下，血液和淋巴系统中繁殖，然后迁移到中枢神经系统。如果不加以治疗，这种疾病几乎总是致命的。由于采取了严格的控制措施，近年来登记的案件数量急剧下降。尽管如此，昏睡病仍被认为是最重要的热带疾病之一。根据世界卫生组织的资料，撒哈拉以南非洲农村地区有超过6000万人处于危险之中。战争，流离失所和迁徙可能导致疾病爆发。
在寻找针对病原体的药物的可能起点时，研究人员针对单细胞生物的中心酶肌苷5′-单磷酸脱氢酶(IMPDH)。 Redecke说：“这种酶属于每个生物体的中心清单，是药物的一个有趣的靶标，因为它调节细胞中两个重要核苷酸(鸟苷二磷酸和鸟苷三磷酸)的浓度。” “细胞需要这些核苷酸来提供能量并建立更大的结构，例如基因组。如果中断这个循环，细胞就会死亡。”
该酶具有一种开/关开关，该开关通过对接细胞自身分子来激活。一种有前途的方法是使用精确定制的分子来阻止这种转换。为了构造这样的抑制器，必须知道开关的确切空间结构。结构生物学家可以使用X射线确定生物分子的结构。为此，它们首先从生物分子中生长出小晶体，然后在用X射线照射时会产生特征性的衍射图样。根据这些模式，可以计算出晶体的原子结构及其结构单元，即生物分子。
大多数生物分子难于形成晶体，因此这种方法通常很复杂。而且，如果可以生长这种晶体，它们通常对高能X射线极为敏感，并会很快被破坏。 “尽管已知许多IMP脱氢酶的结构，但在布鲁氏锥虫版本的该酶的晶体生长方面还没有成功，” Betzel报告说，他也是“卓越CUI集群：物质的高级成像”的研究人员。汉堡大学和DESY。
该疾病是由采采蝇传播的。疾病预防控制中心，凯·德威特(公共领域)因此，研究小组选择了另一种途径：图宾根大学的合著者迈克尔·杜申科小组诱导了某些昆虫细胞使其中的生物分子结晶。使用这种所谓的纤维素结晶，同一小组已经破译了昏睡病原体的另一种关键酶组织蛋白酶B，这也是一种潜在的药物靶标。事实证明，改变的昆虫细胞还产生了现在研究的脱氢酶晶体。这些晶体形成约五十分之一毫米(5微米)厚，长达70微米长的细小针，使它们从生产细胞中突出。
细胞内晶体是如此之小，以至于需要非常明亮的X射线来对其进行分析。晶体越大，晶体中越多的原子可以散射X射线，从而产生更好的衍射图。因此，研究人员使用了美国SLAC国家加速器实验室的LCLS X射线激光进行分析。 “ X射线激光产生非常强烈的闪光，”查普曼解释说。他是自由电子激光科学中心CFEL的DESY首席科学家，卓越CUI集群：高级物质成像的发言人之一。 “尽管敏感晶体立即蒸发，但它们首先会产生衍射图，从中可以得到结构。”参与这项研究的许多研究人员较早地开发出了用于利用这些特性的方法，即系列飞秒晶体学，并被《科学》杂志评为2013年年度十大突破之一。
该团队记录了超过22,000个微晶的衍射图样，并能够以0.28百万分之一毫米(纳米)的精度计算酶的空间结构-这大致相当于铝原子的直径。 Karol Nass报告说：“结果不仅显示了酶开关的确切结构，贝特曼区域，而且还显示了细胞的哪些分子激活该开关以及这些所谓的辅因子如何与酶开关结合。”他的博士学位期间的这项工作在DESY学习。现在，他在瑞士的Paul Scherrer研究所工作，并与该出版物的主要作者Redecke一起。
该开关由分子三磷酸腺苷(ATP)和单磷酸鸟苷(GMP)操作。 Betzel说：“我们方法的优点不仅在于我们能够在室温下研究该酶天然起作用的酶，还在于在纤维素结晶过程中，天然辅因子与酶结合。”据研究人员称，这些数据现在可能提供一种抑制寄生虫的IMP脱氢酶的方法。 “例如，人们可能会想到构建一种扣环，该扣环将覆盖两个辅助因子的结合位点。”
但是，仍然存在一个挑战，就是要以一种特殊的方式设计IMP脱氢酶抑制剂，使其能够阻断寄生虫的酶，而不是人的酶。如果成功的话，该方法可能会扩展到其他病原体。 “其他寄生虫具有非常相似的结构，也有可能通过各自的IMP脱氢酶攻击那些寄生虫。该酶是非常有趣的药物靶标，例如针对狐狸tape虫或象皮病病原体。”
汉堡大学，吕贝克大学和图宾根大学，俄罗斯科学院，亚利桑那州立大学，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室，马克斯·普朗克医学研究所，美国国家加速器实验室SLAC，哥德堡大学和DESY分别为参与这项研究。