上科大张璐团队与合作者揭示结核分枝杆菌细胞壁半乳聚糖跨膜转运机制

结核病由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）感染引起，其独特的细胞壁是致病和耐药的重要因素。阿拉伯半乳聚糖（Arabinogalactan，AG）作为组成细胞壁完整结构的关键多糖，其阿拉伯糖链合成是一线抗结核药物乙胺丁醇和新药德拉马尼/普托马尼的作用靶点。有研究表明，细胞壁半乳聚糖作为一种毒力因子，也与结核分枝杆菌的致病过程密切相关，但目前尚无针对半乳聚糖链的抑制剂报道。AG合成需先在胞质侧生成脂质连接半乳聚糖（LLG），再经ABC型转运蛋白WzmWzt跨膜转运至周质侧完成组装。LLG结构复杂，其跨膜转运需消耗ATP。目前聚糖转运机制研究有限，聚糖ABC转运蛋白如何精准识别底物并利用ATP水解能驱动其跨膜，仍是该领域亟待阐明的重要科学问题。解析半乳聚糖的生物合成与转运机制，对深入理解Mtb细胞壁通路及开发新型抗结核药物具有重要意义。

10月9日，上海科技大学免疫化学研究所张璐教授团队联合英国伯明翰大学Gurdyal S. Besra教授团队和德国杜塞尔多夫海因里希·海涅大学Rainer Kalscheuer教授团队，在《自然-通讯》（Nature Communications）在线发表题为“Recognition and mechanism of M. tuberculosis cell wall galactan transport”的研究论文，解析了结核分枝杆菌WzmWzt转运体在多个构象状态下的冷冻电镜结构，并首次在结构中观察到天然LLG3底物的密度。

高分辨率冷冻电镜结构显示每分子转运蛋白复合物会结合两分子LLG3底物，每个LLG3底物分子会跨越整个转运蛋白复合物，同时与两个Wzm跨膜亚基（TMD）和两个Wzt核苷酸结合亚基（NBD）相互作用，颠覆了此前观察到的仅由TMD负责底物识别的认知。通过结构分析发现，LLG复杂的化学结构是转运蛋白复合物特异性识别底物的关键基础——脂质部分延伸进入跨膜亚基的疏水空腔，焦磷酸基团被定位于同时由Wzm和Wzt构成的正电荷富集区域，而半乳糖链则进一步延伸至由Wzm亚基和Wzt亚基共同形成的糖链结合区域。这种底物结合模式也改变了此前对于复杂糖脂可能主要依靠“脂质端优先识别”的假说。同时发现，天然底物的结合使Wzt亚基中的门控螺旋（Gate Helix）向上延伸，深入Wzm亚基跨膜区界面并参与底物识别。该工作构建了两个条件敲除的分枝杆菌模型，通过结构指导的定点突变，在细菌体内功能分析进一步支持焦磷酸和半乳糖结合位点对底物识别的重要作用。

本研究还捕捉到了WzmWzt在内源性ATP结合态和去污剂糖脂分子结合态的构象结构。结合细菌水平功能实验的结果，研究团队进一步揭示了结核分枝杆菌半乳聚糖转运体 WzmWzt跨膜转运LLG的分子机制：WzmWzt在细胞质膜界面招募糖脂底物，底物的特异性识别与结合由TMD跨膜螺旋和NBD门控螺旋的构象变化共同完成；ATP的结合诱导Wzt亚基二聚化并驱动跨膜结构域的构象变化，打开Wzm的底物转运通道并推动底物沿沿中央通道向周质侧转运；Wzt亚基催化ATP水解，转运蛋白释放底物并进入下一个转运循环。

图1. 结核分枝杆菌半乳聚糖转运体WzmWzt复合物的结构

图2. 结核分枝杆菌半乳聚糖转运体WzmWzt复合物工作模型

综上，该工作在分子层面解析了结核分枝杆菌半乳聚糖转运蛋白识别其天然底物的分子基础，并揭示了转运蛋白跨膜转运聚糖糖脂的机制。值得一提的是，该工作首次捕捉到聚糖转运蛋白与天然底物的复合物结构，阐明了结核分枝杆菌特异性识别并跨膜转运半乳聚糖的分子机制。这不仅为理解聚糖ABC转运体机制提供了结构基础，也为抗结核药物研发提供了新靶标和新思路。

上海科技大学免疫化学研究所博士研究生魏传存、伯明翰大学Katherine A. Abrahams和杜塞尔多夫海因里希·海涅大学Violetta Krisilia为论文共同第一作者。上科大免化所张璐教授、伯明翰大学Gurdyal S. Besra教授和杜塞尔多夫海因里希·海涅大学Rainer Kalscheuer教授为论文共同通讯作者。上海科技大学为第一完成单位。

结核分枝杆菌的细胞壁合成通路长期以来被视作抗结核药物开发的重要靶标，上海科技大学免疫化学研究所抗结核结构研究中心张璐教授课题组长期以来致力于解析结核分枝杆菌细胞壁组装的分子机制和基于结构的药理学研究，系统揭示了从一线抗结核药物乙胺丁醇抑制细胞壁阿拉伯糖基转移酶的分子机制、抗结核新药德拉马尼/普托马尼作用于差向异构酶DprE1-DprE2的药物作用机制。并报道了一系列的潜在抗结核新药靶标，如膜蛋白磷酸核糖基转移酶Rv3806c和阿拉伯糖起始合成酶AftA。首次报道的ABC转运蛋白介导一线药物利福平耐药的分子基础，为理解结核分枝杆菌的耐药机制提供了新的思路。上述工作为系统性理解结核分枝杆菌细胞壁生成和抗结核药物作用机制和耐药机制提供了关键的结构基础。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-78496-8