網站地圖 | 聯系我們 | English | 中國科學院 | 高研院VPN
新聞動態
肯尼亞旅游和野生生物部常務副部長來訪推進反盜獵合作
蛋白質設施用戶饒子和團隊解析“藥靶-藥物”三維結構,揭示一線抗結核藥物精確作用機制
文章來源:    發布時間:2020-04-27

424日凌晨,國際頂尖學術期刊《Science》以研究長文(Research Article)形式,在線發表國家蛋白質科學研究(上海)設施用戶上??萍即髮W免疫化學研究所饒子和院士研究團隊與合作者的題為“Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol”的研究論文。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復合體EmbA-EmbBEmbC-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于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”(排名超過艾滋病和瘧疾)。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40-60年代開發,使用已長達半個多世紀。耐藥性問題隨之產生并且日趨嚴重,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。 

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AGLAM合成的阿拉伯糖基轉移酶EmbA,EmbBEmbC。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于針對結核病重要靶點的研究及新藥開發。此前,曾先后解析了臨床藥物Q203靶點——呼吸鏈超級復合體CIII2CIV2SOD2結構(2018年《Science》),臨床藥物SQ109靶點——MmpL3的多個“靶點-藥物”復合物結構(2019年《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-EmbBEmbC-EmbC兩種復合物的三維結構,揭示了乙胺丁醇作用于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、晶體衍射分辨率差、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)復合物的結構,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。 

A)結核分枝桿菌(Mtb)和恥垢分枝桿菌(MsmEmbA-EmbB-AcpM2EmbC2-AcpM2與底物(Ara2,DPA)和藥物(EMB)復合物結構;(B)以MtbEmbB為代表展示Emb蛋白結構特征;(CEmb蛋白拓撲結構示意圖 

結構研究表明,EmbAEmbB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蛋白結合于每個Emb蛋白的胞內側,分別形成EmbA-EmbB-AcpM2EmbC2-AcpM2復合體。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折疊形式的胞外結構域,活性口袋則位于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,乙胺丁醇同樣結合于EmbBEmbC的活性口袋,其結合位點分別占據了催化氨基酸Asp兩側的底物結合位置(D-siteA0-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AGLAM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于EmbBEmbC的藥物結合位置附近。相關位點氨基酸的突變可直接或者間接影響到乙胺丁醇的結合。因此,對于解決耐藥性問題,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。 

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占據底物阿拉伯糖的結合位點(D-siteA0-site);(D)結構疊合顯示乙胺丁醇占據供體DPA的阿拉伯糖結合位點(D-site);(E)對應于(D)的局部放大圖 

本項工作的完成標志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??萍即髮W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。 

本項目得到了國家蛋白質科學研究(上海)設施質譜系統的彭超博士及其團隊成員在質譜分析和相關數據解析等方面的技術支持;規?;鞍字苽湎到y在分子相互作用的測定上提供了設備和技術支持;蛋白質微晶體結構線站BL18U、蛋白質復合物晶體結構線站BL19U1對其晶體衍射與數據收集處理提供了技術支持。 

文章鏈接:https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102 

 

场外配资