4月24日凌晨，上海科技大學免疫化學研究所饒子和院士研究團隊與合作者的研究成果在國際頂尖學術期刊《科學（Science）》上發表。該項工作在國際上首次成功解析了分枝桿菌關鍵的阿拉伯糖基轉移酶複合體EmbA-EmbB和EmbC-EmbC的「藥靶-藥物」三維結構，首次揭示了一線抗結核藥物乙胺丁醇作用於該靶點的精確分子機制，為解決結核病耐藥問題，研發新型抗結核藥物奠定了重要基礎。
結核病是全球十大致死疾病之一，是單一傳染病中的「頭號殺手」（排名超過愛滋病和瘧疾）。據世界衛生組織報告，全世界約四分之一人口潛伏感染結核病。目前，治療結核病的一線藥物均為上世紀40年代至60年代開發，使用已長達半個多世紀。耐藥性問題隨之產生並且日趨嚴重，甚至無藥醫治，給結核病防治和公共衛生安全帶來了前所未有的壓力。因此，針對抗結核藥物靶點的研究以及新藥的研發迫在眉睫。
圖註：（A）結核分枝桿菌（Mtb）和恥垢分枝桿菌（Msm）EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2與底物（Ara2，DPA）和藥物（EMB）複合物結構；（B）以Mtb EmbB為代表展示Emb蛋白結構特徵；（C）Emb蛋白拓撲結構示意圖
結核分枝桿菌是引起結核病的病原菌，其細胞壁極為特殊，主要成分包括分枝菌酸（MA）、阿拉伯半乳聚糖（AG）、肽聚糖（PG）和脂阿拉伯聚糖（LAM）等，對結核菌起到天然保護作用。抑制細胞壁成分的合成被認為是合理的抗結核新藥研發思路。當前使用的一線抗結核藥物異煙肼、乙胺丁醇等均是通過抑制細胞壁合成發揮作用的。研究表明，乙胺丁醇靶向參與AG和LAM合成的阿拉伯糖基轉移酶EmbA，EmbB和EmbC。但是自該藥物問世以來，其分子機制一直未被解開，也就無法對乙胺丁醇這一「傳統老藥」進行更新換代，以解決其日益嚴重的耐藥性問題。
饒子和院士團隊長期以來致力於針對結核病重要靶點的研究及新藥開發。此前，研究人員曾先後解析了臨床藥物Q203靶點——呼吸鏈超級複合體CIII2CIV2SOD2結構（刊2018年《科學（Science）》），臨床藥物SQ109靶點——MmpL3的多個「靶點-藥物」複合物結構（刊2019年《細胞（Cell）》）。今年，研究團隊再獲重大突破，解析了一線藥物乙胺丁醇靶點——EmbA-EmbB和EmbC-EmbC兩種複合物的三維結構，揭示了乙胺丁醇作用於靶點的精確分子機制。該項成果的取得歷經6年漫長的時光，研究團隊相繼克服了蛋白樣品不表達、晶體衍射解析度差、相位解析困難、底物難以合成、活性檢測體系缺失等諸多難題，最終利用X射線晶體學技術和冷凍電鏡三維重構技術，成功解析了EmbA-EmbB，EmbC-EmbC分別與底物（Ara2，DPA）和藥物乙胺丁醇（EMB）複合物的結構，破解了困擾研究人員長達半個多世紀的抗結核藥物機制難題。
圖註：（A）乙胺丁醇在靶點蛋白活性位點的結合方式；（B）乙胺丁醇結合位點的相互作用示意圖；（C）結構疊合顯示乙胺丁醇佔據底物阿拉伯糖的結合位點（D-site和A0-site）；（D）結構疊合顯示乙胺丁醇佔據供體DPA的阿拉伯糖結合位點（D-site）；（E）對應於（D）的局部放大圖
結構研究表明，EmbA和EmbB以異源二體形式，而EmbC則以同源二體形式發揮生理功能。一個令人意外的發現是，參與細胞壁MA合成的AcpM蛋白結合於每個Emb蛋白的胞內側，分別形成EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2複合體。每個Emb蛋白結構均可劃分為一個15次跨膜結構域和兩個含有jelly-roll摺疊形式的胞外結構域，活性口袋則位於跨膜結構域和胞外結構域之間。研究分析了阿拉伯糖供體（DPA）和二糖（Ara2）在活性位點的精確結合方式。進一步研究發現，乙胺丁醇同樣結合於EmbB和EmbC的活性口袋，其結合位點分別佔據了催化胺基酸Asp兩側的底物結合位置（D-site 和A0-site），從而同時阻斷了阿拉伯糖供體和受體的結合，最終抑制了細胞壁AG和LAM的合成。通過分析乙胺丁醇臨床耐藥突變位點，團隊成員發現大部分位點均位於EmbB和EmbC的藥物結合位置附近。相關位點胺基酸的突變可直接或者間接影響到乙胺丁醇的結合。因此，對於解決耐藥性問題，需要在新藥設計時考慮到避免這些位點的空間影響。以上研究成果將為乙胺丁醇的優化和靶向Emb蛋白的新藥開發奠定堅實的結構理論基礎。
這項工作的完成標誌著饒子和團隊通過多年努力，基本攻克了結核病關鍵藥靶領域已知僅剩的幾大戰略高地。目前，研究團隊正充分利用上海科技大學和張江生物醫藥產業基地的優勢，通過全面合作，全力推動抗結核新藥的研發，加快基礎研究成果的轉化。