华人科学家从结构上揭示酶VKOR的催化循环和维生素K拮抗剂的作用机制

小燕子

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维生素K拮抗剂（vitamin K antagonist, VKA），如华法林，是口服抗凝剂，常用于治疗和预防血栓栓塞性疾病，包括中风和心脏病发作。而补充维生素K挽救了无数止血功能不足的新生儿的生命。这些治疗过程的核心是维生素K环氧化物还原酶（vitamin K epoxide reductase, VKOR），这是一种内质膜酶，它能产生维生素K的活性形式以支持血液凝固。

VKA抑制VKOR的催化作用，VKOR的催化作用是由两对半胱氨酸进行的，一对半胱氨酸直接还原底物，另一对半胱氨酸介导电子转移。VKOR的直系同源物和旁系同源物（统称为VKOR类似物）构成了一个庞大的完整膜硫醇氧化还原酶家族，但在缺乏高分辨率结构的情况下，对它们的催化和抑制机制的理解一直是个挑战。

过量服用VKA常引起大出血或致命性出血，占老年人所有药物不良反应住院人数的三分之一。尽管几十年来在临床上遇到了很多困难，但对于VKA的拮抗作用及其靶酶VKOR的机理还缺乏深入的了解，尽管人们已知VKOR设法在水-膜界面上转移电子，以支持其独特的环氧化物还原活性。

在一项新的研究中，来自美国华盛顿大学医学院和阿贡国家实验室的研究人员解析出人VKOR及其旁系同源物与不同底物和拮抗剂在不同功能状态下的11个晶体结构，从而揭示出VKOR酶的几乎整个催化循环和VKA的作用机制。相关研究结果发表在2020年1月1日的Science期刊上，论文标题为“Structural basis of antagonizing the vitamin K catalytic cycle for anticoagulation”。

VKOR的催化循环和抑制，图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5667。

四个有代表性的VKA的结构表明，它们与Asn80和Tyr139之间形成的氢键在基本上疏水性的口袋中提供了识别的特异性。这个VKA结合口袋，也作为活性位点，被一个四跨膜螺旋束包围，并由一个帽结构域（cap domain）覆盖。破坏帽结构域的稳定性或直接破坏华法林结合相互作用的突变会导致华法令耐受性（warfarin resistance）。华法林的代谢失活是通过在这个疏水性口袋中对能量不利的羟基修饰实现的。对超级华法林（superwarfarin，指的是与华法令结构相似，但效能是华法令的100倍，而且半衰期比华法令长很多）的高效抑制作用是通过它们的较大的侧面基团结合到维生素K的异戊基链的隧道上。与无配体状态的结构比较表明，华法林的局部结合相互作用导致了从开放到封闭的整体蛋白构象的变化。

底物结合结构揭示了还原的活性位点半胱氨酸是形成电荷转移复合物或共价复合物所必需的。这些底物加合物与Asn80和Tyr139形成氢键以促进化学反应，其稳定的结合相互作用诱导出封闭的蛋白构象。这种构象变化使两对半胱氨酸聚集在一起，触发电子转移，从而使底物还原。

这些结构揭示了一种激活机制，即稳定结合的底物加合物触发VKOR发生重组以促进电子转移。VKA的高效力来自于在全局水平上模拟构象变化和在局部水平上模拟底物氢键相互作用。这些机理上的见解为设计新的抗凝治疗策略提供了基础。

参考资料：

Shixuan Liu et al. Structural basis of antagonizing the vitamin K catalytic cycle for anticoagulation. Science, 2020, doi:10.1126/science.abc5667.