Molecular Pathophysiology of Cystic Fibrosis

囊性纤维化的分子病理生理学

基本信息

  • 批准号:
    10417034
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 41.49万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    1999
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    1999-09-30 至 2024-04-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Loss-of-function mutations in the cftr gene are the root cause of cystic fibrosis (CF), the second most common life-shortening genetic disease in the US. As a member of the ABC (ATP Binding Cassette) transporter superfamily, the CFTR protein comprises two transmembrane domains (TMD1 and TMD2), each followed by a nucleotide binding domain (NBD1 and NBD2 respectively) characterized by the canonical Walker A and B motifs for ATP binding/hydrolysis, and a signature sequence (i.e., LSGGQ) that plays a critical role for the formation of a head-to-tail NBD dimer upon ATP binding. CFTR is unique in that, instead of being an active transporter, CFTR is a bona fide ion channel. Our previous studies have led to a gating mechanism of CFTR that features a probabilistic relationship between ATP-induced NBD dimerization and gate opening in the TMDs. Recent solutions of three cryo-EM structures of CFTR, on one hand, dispute our idea that channel closure does not require a complete separation of the two NBDs, but on the other hand, support our proposition that NBD dimerization does not guarantee gate opening. These cryo-EM data lack high temporal resolution, but their exquisite spatial resolution does offer us an unprecedented opportunity to address several unsettled questions regarding the functional anatomy of CFTR (Aim 1) such as: What is the functional significance of completely separated NBDs shown in the cryo-EM structures? How do the two ATP-binding sites affect each other’s function? The existence of a closed channel with dimerized NBDs not only demands more thorough studies of the gating mechanism but also compels us to challenge the long-held view that only the open channel hydrolyzes ATP. As many of the disease-associated mutations reside in the NBD dimer interface, and thus are excellent subjects facilitating our investigation into NBD/TMD coupling, the proposed studies could also reveal the mechanism by which these mutations cause CF at a molecular level. One important application of our fundamental studies of CFTR gating is to use the knowledge to explore how drugs or drug candidates affect different aspects of CFTR gating (Aim 2), and to determine if and to what extent pathogenic mutations respond to therapeutic reagents (Aim 3). Together with the atomic structures of CFTR in different states, it is timely to probe how reagents, by binding to different regions of CFTR, synergistically activate CFTR. Answering this latter question could serve as a stepping-stone to materialize structure-based drug design.
CFTR基因的功能丧失突变是囊性纤维化(CF)的根本原因,即 美国第二大最常见的遗传疾病。作为ABC的成员 (ATP结合盒)转运蛋白超家族,CFTR蛋白包括两个 跨膜结构域(TMD1和TMD2),随后是核苷酸结合 域(分别为nbd1和nbd2)以规范助行器A和B为特征 ATP结合/水解的基序,以及扮演A的签名序列(即LSGGQ) 在ATP结合时形成头到尾NBD二聚体的关键作用。 CFTR是 唯一的CFTR不是主动转运蛋白,而是一个真正的离子通道。 我们以前的研究导致了CFTR的门控机制,该机制具有 ATP诱导的NBD二聚体与门开口之间的概率关系 TMD。一方面,CFTR的三种冷冻EM结构的最新解决方案是争议 我们认为渠道关闭不需要两个NBD的观念,而是 另一方面,支持我们的提议NBD二聚体不能保证门 开场。这些低温EM数据缺乏高临时分辨率,但它们的独家空间 决议确实为我们提供了一个前所未有的机会,可以解决一些未解决的问题 有关CFTR功能解剖结构的问题(AIM 1),例如:什么是什么 冷冻EM结构中显示的完全分离的NBD的功能意义? 两个ATP结合站点如何影响彼此的功能?封闭的存在 具有二聚NBD的渠道不仅需要对门控进行更彻底的研究 机制,但也迫使我们挑战只有公开的长期观点 通道水解ATP。由于许多与疾病相关的突变都存在于NBD中 二聚体界面,因此是出色的主题,促进了我们对 NBD/TMD耦合,拟议的研究还可以揭示 这些突变导致CF在分子水平上。我们的一个重要应用 CFTR幻象的基本研究是利用知识来探索药物或 候选药物影响CFTR门控的不同方面(AIM 2),并确定是否以及是否 范围致病突变对治疗试剂有反应(AIM 3)。与原子一起 CFTR在不同状态的结构,及时探测试剂如何通过与不同的结合 CFTR区域协同激活CFTR。回答以后的问题可以用作 垫脚石以实现基于结构的药物设计。

项目成果

期刊论文数量(62)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
CFTR: New insights into structure and function and implications for modulation by small molecules
  • DOI:
    10.1016/j.jcf.2019.10.021
  • 发表时间:
    2020-03-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Kleizen, Bertrand;Hunt, John F.;Sheppard, David N.
  • 通讯作者:
    Sheppard, David N.
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