免化所团队与合作者在抗结核药物靶点呼吸链末端氧化酶研究中取得新进展

ON2021-12-07文章来源 免疫化学研究所CATEGORY新闻

结核病(Tuberculosis, TB)是由结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)引起的传染性疾病。据世界卫生组织公布的《2021年全球结核病报告》,全球结核潜伏感染人群接近20亿。2020年,全球新发结核病患者987万,我国结核病新发患者数为84.2万(2019年83.3万)。为了实现对结核病的控制,人们迫切需要新的抗结核药物,尤其是可以针对耐多药和极端耐药菌株及可以缩短治疗时间的药物。结核分枝杆菌氧化磷酸化系统是结核分枝杆菌生长和生存所必需的,由此被认为是研发新型抗结核药物的重要靶点。靶向该系统的药物可以为严重威胁人类健康的药物敏感性和耐药性结核病带来新的治疗方案。

近期,上海科技大学免疫化学研究所抗结核结构研究中心科研团队在抗结核药物靶点呼吸链末端氧化酶研究中连续取得重要进展,为靶向氧化磷酸化系统的抗结核药物设计奠定了基础。

11月26日,上海科技大学特聘教授、清华大学教授饶子和院士,免化所副研究员高岩联合南开大学生命科学学院副教授贡红日在eLife发表题为“Structure of Mycobacterium tuberculosis cytochrome bcc in complex with Q203 and TB47, two anti-TB drug candidates ” 的研究论文,首次阐明了抗结核候选药物Q203和TB47发挥特异性杀菌功能的分子机理,为进一步优化并开发更为有效的抗结核新药奠定重要基础



目前备受关注的且已完成临床II期试验并取得积极结果的新型抗结核候选药物Q203(Telacebec)和处于临床前期试验的TB47正是通过抑制结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的功能而达到杀菌目的。然而,关于它们发挥特异性抑制功能的分子机理尚不清晰。继2018年揭示分枝杆菌呼吸链bcc-aa3超级复合物的电镜结构之后,研究团队再次利用单颗粒冷冻电镜技术解析了结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物天然状态,以及分别与已完成临床Ⅱ期试验的Q203和处于临床前期试验的TB47两种抗结核候选小分子药物结合状态的三种高分辨率结构,并借助分子动力学等技术首次阐明了Q203和TB47发挥特异性杀菌功能的分子机理,为进一步优化上述候选药物及开发更为有效的抗结核新药都将起到巨大的推动作用。


Q203和TB47靶向结核分枝杆菌细胞色素bcc复合物的作用机制


研究发现,Q203和TB47是通过结合在结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的天然底物醌的氧化位点,进而阻止可提供电子的底物醌的结合,抑制了电子传递正常的传递,阻碍了能量流通货币三磷酸腺苷(ATP)的合成,从而达到了“饿死”结核菌的功效。值得一提的是,研究提示因形成氢键对稳定结合Q203和TB47起到关键作用的氨基酸残基313Thr和314Glu(二者是QcrB亚基的氨基酸残基)在致病性分枝杆菌中是高度保守的。因此,本研究成果也将有利于指导Q203和TB47用于其他致病性分枝杆菌临床治疗,及新型抑制剂的开发。此外,Q203和TB47对引起人类布鲁里溃疡疾病的溃疡分枝杆菌有良好杀菌效果的研究报道也进一步印证了本研究成果。这是抗结核结构研究中心在揭示抗结核药物分子SQ109,乙胺丁醇与靶点复合物结构后的又一重要“药物-药靶”机制的工作。

本论文中,南开大学药学院博士研究生周珊和上海科技大学生命科学与技术学院博士研究生王伟伟为并列第一作者。南开大学副教授贡红日、上海科技大学特聘教授饶子和院士、副研究员高岩为共同通讯作者。

虽然Q203和TB47是通过靶向抑制结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的功能而达到杀菌目的。然而,作为结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物路径的补偿通路,细胞色素bd复合物在细胞色素bcc复合物被候选药物Q203和TB47靶向抑制的情况下,可以通过补偿能量代谢进而降低这些抑制剂的杀菌效果。因此,开发靶向结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物的抑制剂显得尤为迫切。

此前,上科大免化所饶子和院士、王权研究员与南开大学生命科学学院贡红日副教授合作,于2021年7月30 日在Nature Communications在线发表题为“Cryo-EM structure of mycobacterial cytochrome bd reveals two oxygen access channels” 的研究论文。团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了耻垢分枝杆菌细胞色素bd复合物的高分辨率(2.8 Å)的结构,结合生物实验及相关已知结构功能数据,鉴定出两个潜在的氧气运输通道,由此提出了一种新的醌氧化与氧还原相偶联的催化机制。


   

 研究结果显示,分枝杆菌细胞色素bd复合物仅由CydA和CydB两个亚基组成,并采取近二次对称轴的排布方式。结构以及序列比对发现分枝杆菌细胞色素bd的醌底物结合区域Q-loop具有物种特异性,提示其可作为原核生物细胞色素bd进化分析的标志物。研究表明,分枝杆菌细胞色素bd复合物在低氧环境中表达,且具有较高的氧亲和力。本研究通过生化实验并结合前人的结构功能数据,提出分枝杆菌细胞色素bd复合物存在双氧气运输通道,由此阐释了结核菌具有更强耐低氧能力的分子机制。这些发现进一步丰富了我们对于原核生物细胞色素bd复合物的结构功能的认知,更为后续针对该靶点的抗结核药物设计奠定了基础。


分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物发挥功能的分子机制


上海科技大学生命学院博士研究生王伟伟和免化所高岩副研究员为该研究论文的共同第一作者。南开大学贡红日副教授、上海科技大学特聘教授饶子和院士及王权研究员为共同通讯作者。

以上研究工作得到了上海科技大学生物电镜平台中心和国家蛋白质科学中心(上海)质谱平台的支持及科技部和国家自然科学基金委的项目资助。

值得一提的是,饶子和院士团队长期以来一直关注结核病重要靶点的结构和功能研究并建立了上科大免化所抗结核结构研究中心。近年来在培养一批优秀青年人才的同时,在这一基础性领域内不断取得重要成果。这些成果对结核杆菌生存致病机理、抗结核药物杀菌抑菌机理、结核杆菌耐药机理等进行了深刻的阐述,为结核新药的研发提供了重要的数据基础,为抗结核新药的研发提供了巨大的推动力。