葡萄糖是地球上絕大多數(shù)生物最重要的能量來源之一。葡萄糖經(jīng)血液循環(huán)被運(yùn)輸至身體各個器官。在血液流經(jīng)腎臟時，絕大部分葡萄糖會被濾出，然后再被重吸收回血液。腎臟每天重吸收的葡萄糖達(dá)到180g，才保證了最終排出的尿液中不含葡萄糖¹。因此，腎臟是維持血漿中葡萄糖水平的重要器官。

腎臟中負(fù)責(zé)葡萄糖重吸收的主要蛋白為鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SGLT），其屬于溶質(zhì)載體轉(zhuǎn)運(yùn)子超家族5A（solute carrier transporter 5A）中的一員，與GLUT（SLC2A）截然不同²。SGLT蛋白利用鈉離子的電化學(xué)勢驅(qū)動葡萄糖逆濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，在轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的同時，伴隨著鈉離子的生電轉(zhuǎn)運(yùn)²。在人類中，SGLT 共發(fā)現(xiàn)有六種亞型，其中在腎臟中主要起作用的為SGLT1和SGLT2。SGLT2位于腎臟近曲小管的S1和S2節(jié)段，負(fù)責(zé)原尿中90%葡萄糖的重吸收³，并且其活性依賴于附屬亞基MAP17⁴。SGLT1位于近曲小管S3節(jié)段，負(fù)責(zé)殘余葡萄糖的重吸收。SGLT2的失活突變會引起家族性腎性尿糖，這類患者除了尿糖高以外沒有其他明顯的臨床癥狀^3,4。此外，早在1886年，德國藥學(xué)家約瑟夫馮梅林發(fā)現(xiàn)從蘋果樹根皮中萃取的天然產(chǎn)物根皮苷（Phlorizin）可以使動物多尿、排出尿糖、減輕體重。隨后的研究發(fā)現(xiàn)：根皮苷就是SGLT的天然抑制劑。上世紀(jì)80年代末，90年代初，編碼負(fù)責(zé)葡萄糖重吸收的SGLT1和SGLT2蛋白的基因也先后被克隆出來^5,6。這一系列在基礎(chǔ)研究方面的進(jìn)展促使制藥界開始關(guān)注SGLT2抑制劑的開發(fā)。其理念是希望通過抑制SGLT蛋白的功能，使原尿中的葡萄糖無法被重吸收，從而通過尿液排出體外，達(dá)到間接降血糖的目的。與SGLT2相比，SGLT1在腎臟中僅負(fù)責(zé)重吸收小部分葡萄糖，并且還在腸道中負(fù)責(zé)葡萄糖的攝取⁷，抑制其功能后的降糖效果和副作用有待進(jìn)一步研究。所以SGLT2成為治療糖尿病的重要小分子藥物靶點(diǎn)之一。

基于天然產(chǎn)物根皮苷的結(jié)構(gòu)，目前，已有多種SGLT2的特異性抑制劑被成功開發(fā)出來，并應(yīng)用于臨床用于治療2型糖尿病，比如恩格列凈（Empagliflozin）、卡格列凈（Canagliflozin）、達(dá)格列凈（Dapagliflozin）等⁸，其中恩格列凈對SGLT2的選擇性是SGLT1的2500倍⁹。這些藥物降糖療效顯著，驗(yàn)證了“通過尿出糖來降血糖”這一治療思路的正確性。除了降血糖的功能外，這三種SGLT2的抑制劑還有治療心衰、腎臟保護(hù)等多種臨床效果¹⁰，被譽(yù)為“神藥”。盡管SGLT2抑制劑在2型糖尿病的治療中具有重要價值，目前仍不清楚這些藥物是如何抑制SGLT2蛋白功能的。

2021年12月8日，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究所陳雷研究員課題組在Nature雜志發(fā)表題目為“Structural basis of inhibition of the human SGLT2-MAP17 glucose transporter”的文章，報道了人源SGLT2-MAP17復(fù)合物與抑制劑恩格列凈結(jié)合的結(jié)構(gòu)。在該項(xiàng)研究中，課題組成員經(jīng)過多年積累和摸索，創(chuàng)新性地采用“三接頭固定”的策略克服了該復(fù)合物分子量較小的技術(shù)難題，獲得了分辨率為2.95?的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)顯示抑制劑恩格列凈結(jié)合在SGLT2蛋白的中間，抑制劑的葡萄糖基占據(jù)了葡萄糖的結(jié)合位點(diǎn)，葡萄糖基的羥基與SGLT2的氨基酸發(fā)生了極性相互作用。抑制劑的糖苷配基從葡萄糖結(jié)合位點(diǎn)往外延伸，直到蛋白外側(cè)，將SGLT2鎖定在向外開放狀態(tài)。該工作確定了SGLT2抑制劑的結(jié)合位點(diǎn)，闡釋了抑制劑抑制SGLT2的工作機(jī)制，為SGLT家族抑制劑的進(jìn)一步優(yōu)化提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖1：SGLT2與恩格列凈的作用模式

北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)所博士研究生牛延革為本論文的第一作者，陳雷為論文的通訊作者。該研究還得到陳雷課題組的博士生劉銳和博士后管成成，北京大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院陳知行研究員及其博士生張源利用精湛的熒光標(biāo)記技術(shù)，為本課題提供了高純度熒光標(biāo)記的葡萄糖底物。勃林格殷格翰藥業(yè)有限公司（Boehringer-Ingelheim Pharma， GmbH & Co KG）的Stefan Hoerer和Herbert Nar為本課題提供了恩格列凈及其同位素標(biāo)記物。在該課題開展過程中，勃林格殷格翰中國分公司的張巍怡和葉俊青給予了大力協(xié)助。該工作冷凍電鏡樣品制備、篩選和采集在北京大學(xué)電鏡平臺和冷凍電鏡平臺完成，得到了李雪梅、郭振璽、邵博、裴霞和王國鵬等人的幫助。臺灣大學(xué)的許麗卿（Lih-Ching Hsu）教授饋贈了1-NBDG樣品用于課題的前期摸索。同位素實(shí)驗(yàn)由北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的黃士堂協(xié)助完成。該項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理獲得了北京大學(xué)CLS計算平臺及未名超算平臺的硬件和技術(shù)支持。博士后管成成受到了勃林格殷格翰公司博士后項(xiàng)目的支持；該課題得到國家自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)支持。陳雷實(shí)驗(yàn)室長期致力于代謝類疾病和心血管疾病藥物靶點(diǎn)的工作機(jī)制，先后解析了胰島細(xì)胞葡萄糖感受器KATP，一氧化氮受體sGC等重要蛋白的結(jié)構(gòu)。

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3 Kanai, Y., Lee, W. S., You, G., Brown, D. & Hediger, M. A. The human kidney low affinity Na+/glucose cotransporter SGLT2. Delineation of the major renal reabsorptive mechanism for D-glucose. J. Clin. Invest.93, 397-404, doi:10.1172/JCI116972 (1994).

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7 Gorboulev, V. et al. Na+-D-glucose Cotransporter SGLT1 is Pivotal for Intestinal Glucose-Absorption and Glucose-Dependent Incretin Secretion. Diabetes61, 187-196, doi:10.2337/db11-1029 (2012).

8 Genuardi, M. V. & Mather, P. J. The dawn of the four-drug era? SGLT2 inhibition in heart failure with reduced ejection fraction. Ther Adv Cardiovasc Dis15, 17539447211002678, doi:10.1177/17539447211002678 (2021).

9 Williams, D. M., Nawaz, A. & Evans, M. Sodium-Glucose Co-Transporter 2 (SGLT2) Inhibitors: Are They All the Same? A Narrative Review of Cardiovascular Outcome Trials. Diabetes Ther12, 55-70, doi:10.1007/s13300-020-00951-6 (2021).

10 Zinman, B. et al. Empagliflozin, Cardiovascular Outcomes, and Mortality in Type 2 Diabetes. N. Engl. J. Med.373, 2117-2128, doi:10.1056/NEJMoa1504720 (2015).

來源：北京大學(xué)