饒子和團隊《Science》解析「藥靶-藥物」三維結構

2021-01-07 中國生物技術網

結核病是當今世界上致死率最高的嚴重傳染性疾病。其人群基數大，影響範圍廣。目前，治療結核病的一線藥物均為上世紀40-60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。

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，這就大大阻礙了乙胺丁醇這一「傳統老藥」的更新換代和耐藥性的解決。

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。2018年10月25日，團隊聯合孫飛研究員、王權博士等在Science上發表文章解析了臨床藥物Q203靶點——呼吸鏈超級複合體CIII2CIV2SOD2結構（詳見BioArt報導：Science丨立足抗結核病藥物靶點開發，饒子和院士團隊歷時多年解析分歧桿菌呼吸體超複合物III2IV2SOD2原子解析度結構）；2019年1月24日，與楊海濤教授的合作團隊在Cell上發表文章解析了臨床藥物SQ109靶點——MmpL3的多個「靶點-藥物」複合物結構。2020年1月15日，與戈寶學教授團隊在Nature發表文章首次發現結核分枝桿菌的重要毒力因子Rv0222分泌蛋白只有在被宿主泛素連結酶ANAPC2催化發生K-11泛素化修飾後，才能招募抑炎蛋白分子，從而阻斷宿主抗結核免疫通路，以此揭示了結核分枝桿菌感染治病的新機制（詳見BioArt報導：Nature丨戈寶學/饒子和合作團隊揭示結核菌逃逸抗結核免疫新機制）。

2020年4月24日，饒子和院士與合作者在Science雜誌上以研究長文（Research Article）形式發表了題為Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol的研究論文。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，研究團隊不畏艱難，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Emb蛋白與底物和藥物複合物的結構，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）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。

圖註：（A，B）乙胺丁醇結合方式；（C，D，E）結構疊合發現乙胺丁醇佔據底物阿拉伯糖的結合位點（D-site和A0-site）

總之，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，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。

據悉，本項工作的完成標誌著饒子和團隊通過多年努力全面攻克了結核病關鍵藥靶領域已知僅剩的幾個戰略高地。目前，研究團隊正充分利用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。

上海科技大學2014級博士生趙耀，南開大學張璐博士為論文共同第一作者。清華大學、南開大學教授兼上海科技大學免疫化學研究所特聘教授饒子和院士、英國伯明罕大學Gurdyal S. Besra教授、上海科技大學免疫化學研究所副研究員李俊、上海科技大學免疫化學研究所課題組長兼生命科學與技術學院助理教授王權為論文共同通訊作者。上海科技大學為該項工作的第一完成單位。晶體衍射數據收集得到上海同步輻射光源幫助，電鏡數據收集在上科大生物電鏡平臺完成。

原文連結：

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102/tab-pdf

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