2024年12月31日，华东师范大学药学院/人工智能新药创智中心李诗良/李洪林团队、中国航天员科研训练中心航天医学全国重点实验室李英贤团队、瓯江实验室凌树宽团队，联合复旦大学附属华东医院郑拥军团队、上海市第六人民医院胡晓勇团队等多家单位在PNAS发表题为“Tamsulosin ameliorates bone loss by inhibiting the release of Cl⁻ through wedging into a novel allosteric site of TMEM16A”的研究论文。
TMEM16A，也称为ANO1，是一种重要的钙激活氯离子通道 (CaCC) ，在液体分泌、平滑肌收缩和肿瘤形成等生理过程中发挥着关键作用，其功能异常与多种疾病包括癌症、高血压和骨质疏松等有关，因此成为了药物研究的热点。尽管已有多个TMEM16A调节剂被报道，但它们的作用机制和精确的结合位点尚未明确。研究团队使用自主发展的分子三维相似性的方法SHAFTS，发现老药Tamsulosin对TMEM16A表现出微摩尔水平的抑制活性 (IC50 = 7.22 μM) 。接着，作者利用冷冻电镜技术，解析了TMEM16A与Tamsulosin的复合物结构（PDB: 8XLR，分辨率为2.93 Å），发现Tamsulosin楔入在TMEM16A细胞外结构域的全新的隐式口袋中，通过稳定TMEM16A在Ca2+离子激活状态下的预开放瞬时构象，阻止孔道打开以及Cl−的透过。随后，综合应用分子动力学模拟、电生理、点突变和功能实验，作者进一步验证了胞外 α5-α6 环上关键残基 R605 和 E624 在调节Tamsulosin结合和孔道活性中的关键作用。Tamsulosin像“楔子”一样插入胞外新口袋，诱导细胞外环（尤其是α5-α6环）发生显著的位移，进一步导致孔道相关螺旋发生明显构象重排。其中，α5中的 P595 和 α7 中的 G711 处所诱导形成的铰链作用使跨膜螺旋具有更高的灵活性，从而使 Y593 与 I641 协同有效地调控TMEM16A的“pre-open”状态。此外，Tamsulosin在动物模型中表现出显著的抗骨质疏松效果，为老药新用开辟了新途径。本研究不仅加深了我们对TMEM16A抑制机制的理解，还为开发针对TMEM16A的新型疗法提供了重要的结构基础。
图1
Tamsulosin与TMEM16A胞外域隐藏口袋结合后的变构门控和调节机制示意图[4]
该研究使用自主发展的分子三维相似性方法SHAFTS，从老药库中筛选出TMEM16A的候选抑制剂Tamsulosin。实验验证结果显示，Tamsulosin能够浓度依赖性地抑制TMEM16A电流 (IC50 = 7.22 μM) 和破骨细胞的分化，降低关键破骨细胞标志基因的表达。同时，它通过调控Cl⁻浓度和特定信号通路（如Syk-Btk-PLCγ2和CaMKIV-CREB-NFATc1），减少骨吸收。这证明了，Tamsulosin通过抑制TMEM16A，有效地抑制了 RANKL 诱导的破骨细胞分化和功能，揭示了 Tamsulosin 作为骨质疏松症潜在治疗药物的可能性。
图2
Tamsulosin通过抑制TMEM16A抑制 RANKL 诱导的破骨细胞分化和功能[4]
图3
Tamsulosin楔入TMEM16A细胞外结构域的全新的隐式结合口袋中，通过稳定TMEM16A在Ca2+离子激活状态下的预开放瞬时构象，阻止孔道打开以及Cl⁻的透过[4]
图4
TMEM16A 胞外结合位点的计算及功能验证[4]
研究团队通过将 TMEM61A/Tamsulosin 复合物的结构（PDB: 8XLR，青色）与经典的无钙结合状态下的冷冻电镜结构（PDB：5OYG，紫色）进行比较，发现Ca²⁺的结合触发 α6 螺旋的构象重排，使其从 α 螺旋转变为 π 螺旋，激活了通道。另外，Tamsulosin 的结合引起了胞外 loop 环的显著构象变化，使得 α5 和 α6 螺旋发生移位，继而导致 P595 和 G711 残基引发铰链效应，使 α5 和 α7 更靠近孔口，并且 α5 和 α7 的二级结构遭到破坏，氢键网络发生重排。离子通道孔径的分析表明，TMEM16A/Tam_Ca²⁺的通道外前庭没有显著收缩，而门控的孔径大小变化趋势与5OYG相反，呈现出缩小和关闭状态。在 I641 和 Y593 的位置，孔径明显缩小，使通道维持在封闭状态。这表明，通道外前庭受到 Tamsolusin 在胞外结合的影响，通过调节孔径中氨基酸 P595、Y593 和 I641 的构象，使通道变窄，进而阻止了阴离子的渗透。在分子动力学模拟中，作者也观察到这一被 Tamsolusin 捕获的预开放的瞬时构象能持续存在。
图5
TMEM16ATam_Ca2+的通道构象及 Tamsulosin 在胞外结合的间接抑制机制[4]
为了评估 Tamsulosin 对 OVX 诱导的骨丢失的治疗效果，研究团队在手术后三个月开始对 OVX 和假手术小鼠进行为期4周的 Tamsulosin 治疗，剂量分别为低 (1.0 mg/kg/d) 、中 (3.0 mg/kg/d) 和高 (9.0 mg/kg/d) 。Micro-CT分析显示，与PBS处理的OVX组相比，Tamsulosin 治疗组的小鼠骨体积/总体积 (BV/TV) 、骨小梁数量 (Tb.N) 和厚度 (Tb.Th) 增加，结构模型指数 (SMI) 降低，且呈剂量依赖性。进一步的检测发现， Tamsulosin 治疗降低了血清CTX-1水平以及破骨细胞标志基因 (NFATc1、Acp5和 Ctsk) 的表达。结果表明，Tamsulosin 能够有效抑制 OVX 诱导的骨丢失，具有潜在的治疗骨质疏松症的应用价值。
图6
Tamsulosin有效保护 OVX 诱导的骨质流失[4]
供稿：李爽/张怡清
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