科技前沿

贡红日/饶子和/高岩等团队合作在抗结核药物靶点呼吸链末端氧化酶取得新进展

日期:2021-11-29  浏览次数:1754

来源:BioArt

结核病(Tuberculosis, TB)是由结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis)引起的传染性疾病。2021年10月14日,世界卫生组织(WHO)发布了《2021年全球结核病报告》。据WHO估算,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。结核分枝杆菌的氧化磷酸化(OXPHOS)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。


2021年11月26日,南开大学生命科学学院贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学免疫化学研究所高岩副研究员等多个课题组在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【1】


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。研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术(single-particle cryo-electron microscopy)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,基于功能分析、结构分析及分子动力学模拟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中的应用以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。


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。


2021年 7月30 日,南开大学生命科学学院贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学免疫化学研究所王权研究员等多个课题组在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【2】。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


eLife第一作者为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学院博士研究生王伟伟。南开大学贡红日副教授、饶子和院士和上海科技大学高岩副研究员为共同通讯作者。南开大学为第一完成单位。


上海科技大学生命科学学院博士研究生王伟伟和免疫化学研究所高岩副研究员为Nat Commun研究论文的共同第一作者。南开大学贡红日副教授、饶子和院士及上海科技大学王权研究员为共同通讯作者。


原文链接:

1. https://elifesciences.org/articles/69418

2. https://www.nature.com/articles/s41467-021-24924-w