解析人尿酸转运蛋白 1（URAT1）的奥秘：开启痛风治疗新征程

《Cell Discovery 13.0》：Molecular mechanisms of urate transport by the native human URAT1 and its inhibition by anti-gout drugs

痛风由高尿酸血症引发，严重影响健康。为深入了解尿酸转运及痛风治疗药物机制，研究人员对人尿酸转运蛋白 1（hURAT1）展开研究。通过解析其与抗痛风药物和尿酸结合的结构，揭示了尿酸重吸收及 hURAT1 抑制机制，为痛风治疗药物研发提供了关键依据。

　　痛风，一种常见且令人痛苦的疾病，如同隐藏在身体里的 “小恶魔”，常常在不经意间给人们带来巨大的折磨。它源于高尿酸血症，当血液中尿酸水平升高，尿酸结晶就会在关节和肾脏 “安营扎寨”，引发疼痛和各种健康问题。目前，全球痛风和高尿酸血症的发病率不断攀升，成为日益严峻的公共卫生挑战。传统治疗高尿酸血症的方法存在诸多局限性，比如黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌醇，虽能减少尿酸合成，但无法解决尿酸排泄问题，还可能在部分患者身上引发严重副作用。

在这样的背景下，人尿酸转运蛋白 1（hURAT1）成为了研究的焦点。它在维持尿酸平衡中扮演着关键角色，主要表达于肾脏近端小管上皮细胞的顶膜，作为高亲和力的尿酸 - 阴离子交换器，将肾小球滤过液中的尿酸重新吸收回血液，对维持血清尿酸水平在生理范围内至关重要。遗传研究也表明，hURAT1 基因的功能变化与尿酸调节密切相关，这使得它成为治疗高尿酸血症和痛风的关键靶点。然而，由于 hURAT1 的不稳定性和低表达水平，其结构一直未能得到解析，这严重阻碍了对药物作用机制和选择性的深入理解。

为了攻克这些难题，来自上海交通大学医学院附属瑞金医院、中国科学院上海药物研究所等多个国内研究机构的研究人员展开了深入研究。他们成功克服了 hURAT1 表达和纯化的技术困难，利用冷冻电镜技术（cryo - EM），解析了 hURAT1 与四种抗痛风药物（多替诺拉（dotinurad）、苯溴马隆（benzbromarone）、雷西纳德（lesinurad）和维立诺拉（verinurad））结合时的内向开放状态结构，以及与尿酸结合时的内向开放、外向开放和闭锁状态结构。结合定点突变和基于细胞的实验，他们揭示了尿酸重吸收和 hURAT1 抑制的机制。这项研究成果发表在《Cell Discovery》上，为设计新一代治疗高尿酸血症和痛风的药物提供了重要的结构框架。

研究人员在研究过程中主要运用了以下关键技术方法：首先是表达和纯化技术，将人野生型 hURAT1 基因克隆到载体中，利用昆虫细胞和哺乳动物细胞进行表达，再经过一系列复杂的纯化步骤获得目标蛋白；其次是冷冻电镜技术，用于收集和处理样本，以获得 hURAT1 的高分辨率结构；最后是 14C - 尿酸摄取实验，通过检测放射性标记的尿酸摄取情况，来评估不同药物对野生型和突变型 hURAT1 转运活性的影响 。

下面详细介绍研究结果：

• hURAT1 的整体结构：研究人员在 HEK 293E 细胞中表达并纯化了全长野生型 hURAT1，用于冷冻电镜分析。hURAT1 由跨膜结构域（TMD）、细胞外结构域（ECD）和预测的细胞内螺旋束（ICH，未解析）组成。TMD 呈现主要促进超家族（MFS）拓扑结构，由 12 个跨膜螺旋组成，分为 N 端结构域（NTD，TM1 - TM6）和 C 端结构域（CTD，TM7 - TM12）。与相关转运蛋白相比，hURAT1 结构更紧凑。ECD 位于 TM1 和 TM2 之间，其结构完整性由两个保守的二硫键维持，突变分析表明这些二硫键对 hURAT1 的尿酸转运活性至关重要。
• hURAT1 对尿酸的识别：通过解析 3.3 ? 分辨率的 hURAT1 与尿酸结合的结构，发现尿酸结合在由 TM5、TM7、TM8 和 TM10 的残基形成的口袋中，主要通过 π - 堆积与苯丙氨酸残基相互作用，同时与 K393 形成极性相互作用，S35 也通过水介导的氢键与尿酸相互作用。与其他阴离子转运蛋白不同，hURAT1 的底物结合口袋仅由苯丙氨酸残基组成，且相对狭窄，这使其具有更高的底物特异性。突变研究进一步验证了这些关键残基在底物识别中的重要性。
• 苯溴马隆和多替诺拉对 hURAT1 的抑制作用：研究人员评估了苯溴马隆和多替诺拉对 hURAT1 介导的 14C - 尿酸摄取的抑制作用，发现它们的 IC50 值分别约为 200 nM 和 8 nM。冷冻电镜结构显示，这两种药物都占据 hURAT1 的中央结合口袋，稳定其内向开放构象，但结合模式不同。它们与周围苯丙氨酸残基的相互作用以及在结合口袋中的适应性差异，解释了两者抑制效力的不同，也为药物设计提供了重要参考。
• 雷西纳德和维立诺拉对 hURAT1 的抑制作用：研究发现雷西纳德和维立诺拉对 hURAT1 介导的 14C - 尿酸摄取抑制的 IC50 值分别约为 12 μM 和 40 nM，维立诺拉的效力更高。冷冻电镜结构揭示了它们与 hURAT1 的独特结合模式，涉及三个关键相互作用区域 A、B 和 C。不同区域的相互作用差异解释了两种药物效力和选择性的不同，为理解 hURAT1 抑制机制提供了更全面的框架。
• hURAT1 的转运机制：研究人员解析了 hURAT1 在向外开放、闭锁和向内开放三种构象状态下的结构。在转运过程中，NTD 相对稳定，CTD 发生显著重排。从向外开放到闭锁状态，CTD 螺旋的细胞外末端向内移动，TM7 的细胞外末端旋转靠近中央腔并使其变窄；从闭锁到向内开放状态，CTD 螺旋的细胞内末端进一步移动，扩大细胞内腔以释放底物。关键残基 G361 和 G479 在这些构象变化中起重要作用，相关突变会破坏 hURAT1 的转运功能。

研究结论和讨论部分指出，尿酸转运蛋白在维持血清尿酸平衡中起着至关重要的作用，hURAT1 是尿酸重吸收的关键蛋白，也是抗痛风药物的主要靶点。该研究首次解析了天然 hURAT1 与底物和多种抗痛风药物结合的结构，揭示了其独特的底物结合口袋和抑制机制，为设计更有效、更安全的抗痛风药物提供了重要依据。同时，研究中发现的 hURAT1 结构灵活性和关键残基，为优化药物设计提供了新的思路。此外，通过对 hURAT1 转运机制的研究，有助于理解相关疾病的病理生理过程，为个性化治疗策略提供潜在靶点。这项研究成果在痛风治疗领域具有重要意义，有望推动新一代治疗药物的研发，为全球数百万痛风患者带来新的希望。