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贡红日/饶子和/王权解析抗结核药物靶点结构

日期:2021-04-20  浏览次数:471

来源:BioArt

结核分枝杆菌Mycobacterium Tuberculosis,Mtb)引起的结核病(TB)是一种古老的伴随人类历史最长的慢性传染病。世界卫生组织(WHO)发布的《2020年全球结核病报告》估算全球结核潜伏感染人群接近20亿,2019年全球新增结核病患者996万例,死亡121万例。2019年全球新发的结核病患者中,约有3.3%的新患者和18%的复治患者对利福平耐药。全球估算利福平耐药结核病患者数约46.5万,其中耐多药结核病约占78%。耐药结核病对全球公共卫生构成重大威胁。因此,抗结核药物靶标发现及新药研发迫在眉睫。


2021年4月6 日,南开大学贡红日副教授、饶子和院士与上海科技大学王权研究员为共同通讯作者在Proceedings of the National Academy of Science发表题为“Architecture of the mycobacterial succinate dehydrogenase with a membrane-embedded Rieske FeS cluster” 的研究论文【1】


近些年,以能量代谢系统为靶点的研究已成为抗结核药物开发的重要方向。呼吸链复合物II又叫做琥珀酸脱氢酶(SQR)或富马酸还原酶(QFR),它是连接呼吸作用与三羧酸循环的关键膜蛋白,同时调控着物质代谢与能量转化过程。研究表明,结核分枝杆菌的Sdh1蛋白作为一种新型(Type F)的呼吸链复合物II对于结核分枝杆菌的氧适应性调控至关重要,是结核分枝杆菌生长和生存必需的蛋白。然而,关于Sdh1蛋白的三维结构信息及其电子传递机制目前尚不清楚,限制了针对该靶点的抗结核药物研发。研究团队运用单颗粒冷冻电镜技术(single-particle cryo-electron microscopy)解析了耻垢分枝杆菌呼吸链复合物Sdh1(succinate dehydrogenase 1)天然状态及与底物结合状态的两种高分辨率的结构,是分枝杆菌呼吸链领域的重要的系统性的研究成果,为抗结核病的药物开发提供了结构基础。


上海科技大学周晓婷和高岩博士为该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。上海科技大学为第一完成单位。


此外,耻垢分枝杆菌呼吸链复合物Sdh2的结构及其电子传递机制已被该研究团队阐明,相关研究成果以题为“Cryo-EM structure of trimeric Mycobacterium smegmatis succinate dehydrogenase with a membrane-anchor SdhF”于2020年发表在Nature Communications期刊【2】



分枝杆菌呼吸链复合物Sdh1结构及参与电子传递的氧化还原中心


2021年4月12日,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再次以“Cryo-EM structure of Mycobacterium smegmatis DyP-loaded encapsulin” 为题在PNAS发表研究论文【3】


结核分枝杆菌属于胞内致病菌,在感染巨噬细胞的过程中能够运用多种途径干预或逃避宿主细胞的免疫防御,进而促进自身在宿主细胞中的长期存活,其中一种重要的逃逸手段是调控自身过氧化物酶的表达抵御宿主细胞的氧化压力。细胞分区作为生命体的重要组织特征,从真核生物的细胞器到原核生物的纳米隔室(Encapsulin)以不同的复杂程度存在于所有的生命活动中。纳米隔室由外壳蛋白和不同的货物蛋白组成,货物蛋白通过末端靶向肽特异性与外壳内部相互作用,在维持细菌代谢稳态及抵抗氧化压力中发挥重要的作用。然而,目前结核分枝杆菌来源的纳米隔室货物蛋白的组装机制及该系统的抗氧化分子机制尚不清楚。研究团队运用单颗粒冷冻电镜技术首次成功解析了一种天然提取的、装载DyP蛋白的分枝杆菌蛋白纳米隔室高分辨率三维结构,揭示了纳米隔室系统清除过氧化氢保护细胞免受氧化损伤的分子机制,为抗结核病的药物开发提供了结构基础。值得一提的是,该研究团队于2018年发表在Science期刊上的呼吸链超级复合物III2IV2SOD2可将超氧化物自由基转化为H2O2【4】。纳米隔室系统和呼吸链系统的空间分布及功能协同关系提示结核分子杆菌具有更强的抗氧化能力。此外,本研究的纳米隔室的结构信息也为基于蛋白质结构的纳米颗粒在药物递送、纳米反应室和疫苗开发等领域的应用提供重要的指导信息。


分枝杆菌纳米隔室系统组装及过氧化氢清除机制


南开大学博士研究生唐延婷和中国科学院大学博士研究生慕安为本文的共同第一作者。南开大学贡红日副教授和上海科技大学王权研究员为共同通讯作者。南开大学为第一完成单位。


这一系列工作得到了上海科技大学生物电镜平台中心、中科院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心和国家蛋白质科学中心(上海)质谱平台的技术支持及科技部和国家自然科学基金委的项目资助。电子顺磁共振实验和脂质组学鉴定实验分别得到了中科院强磁场科学中心田长麟研究员团队和中科院遗传发育所税光厚研究员团队的帮助。 


原文链接:
1. https://www.pnas.org/content/pnas/118/15/e2022308118.full.pdf
2. https://www.nature.com/articles/s41467-020-18011-9
3. https://www.pnas.org/content/118/16/e2025658118
4. https://science.sciencemag.org/content/362/6418/eaat8923.abstract