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连发2篇PNAS,加速新药研发!南开、上科大团队突破结核病关键药靶难点

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4月上半月,南开大学贡红日副教授、中科院饶子和院士与上海科技大学王权研究员为共同通讯作者,在国际知名期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science, PNAS)连续发表了2篇论文。 团队运用单颗粒冷冻电镜技术解析了与结核分枝杆菌相关的高清结构,为抗结核病的药物开发提供了结构基础。 在多年努力的基础下,目前结核病关键药靶领域已知仅剩的几个战略高地基本已被攻克,饶子和院士表示,团队此后还将继续深耕,全力推动抗结核新药的研发,加快基础研究成果的转化。

作为多次参与世界顶尖科学家论坛(WLF)的科学家,饶子和院士还曾在去年WLF的前沿话题讲堂中为大家带来了关于“SARS-CoV-2的复制和转录机制”的报告;王权博士也曾出席去年WLF的博士论坛之生物会议Ⅲ,发表了以“SARS-CoV-2 RNA聚合酶结构、功能和抑制方法”为主题的演讲。

饶子和院士参加第三届WLF 图|WLF独家

以下为详细信息。

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国际知名期刊《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science, PNAS)发表题为“Architecture of the mycobacterial succinate dehydrogenase with a membrane-embedded Rieske FeS cluster” 的研究论文 。

论文截图 图|PNAS

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。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《自然通讯》(Nature Communications)期刊。

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 图|Nature Communications

上海科技大学周晓婷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。

2021年4月15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。

论文截图 图|PNAS

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

分歧杆菌蛋白纳米隔室系统 图|naikai.edu

值得一提的是,该研究团队于2018年发表在《科学》(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。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 图|Science

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。

值得一提的是,饶子和团队长期以来一直关注结核病重要靶点的结构和功能研究。近年来在培养一批优秀青年人才的同时,在这一基础性领域内不断取得重要成果。这些成果对结核杆菌生存致病机理、抗结核药物杀菌抑菌机理、结核杆菌耐药机理等进行了深刻的阐述,为结核新药的研发提供了重要的数据基础,为抗结核新药的研发提供了巨大的推动力。除了以上两项《PNAS》的论文成果,团队其他重要成果如下:

团队重要成果

2018年11月

饶子和院士团队解析了临床药物Q203靶点——呼吸链超级复合体CIII2CIV2SOD2的冷冻电镜结构,揭示了生命体内一种新的醌氧化与氧还原相偶联的电子传递机制。首次以结构生物学的视角,证实了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)在分枝杆菌细胞周质内与呼吸链复合物间存在直接相互作用,并具有清除潜在自由基、协同氧化还原反应的作用。论文成果以研究长文的形式在线发表于国际顶级学术期刊《Science》上 。

2019年1月

饶子和院士协同上海科技大学李俊,杨海涛报道了分枝杆菌MmpL3三维结构以及与四种抗结核候选药物的复合物晶体结构,其中包括SQ109(在2b-3期临床试验中)。MmpL3由周质区结构域、12次跨膜螺旋结构域以及柔性的胞内结构域组成。位于跨膜区中心的两个Asp-Tyr对推测是产生质子驱动力的关键促进因子,SQ109,AU1235,ICA38和利莫那班(Rimonabant)在跨膜区内结合并破坏了这些Asp-Tyr对。该结构数据将极大地推动靶向MmpL3的新型抗TB药物的开发。论文成果发表在国际顶级学术期刊《Cell》上 。

2019年8月

团队成员在《Nature Communications》报道了耻垢分枝杆菌IniA蛋白的apo状态和GTP结合状态复合物的三维空间结构。首次发现IniA 蛋白折叠属于dynamin超家族中的细菌动力蛋白家族。这项工作清楚地阐明了细菌动力蛋白具有膜分裂而不是膜融合的能力。IniA可能通过膜分裂的方式参与了膜损伤的修复,从而维持了细胞膜的完整性,增加了病原菌在药物压力下的存活能力。这些发现首次揭开了IniA 蛋白的神秘面纱,为解决结核病耐药性问题提供了新的线索 。

2020年6月

饶子和院士团队解析了一线药物乙胺丁醇的靶点——EmbA-EmbB和EmbC-EmbC两种复合物的三维结构,揭示了乙胺丁醇结合于EmbB和EmbC的活性口袋,其结合位点分别占据了催化氨基酸Asp两侧的底物结合位置(D-site 和A0-site),从而同时阻断了阿拉伯糖供体和受体的结合,最终抑制细胞壁AG和LAM的合成的精确分子机制。论文成果以研究长文的形式发表于国际顶级学术期刊《Science》上 。

2020年8月

饶子和团队发表《Nature Communications》论文,确定了耻垢分枝杆菌Sdh2三聚体的2.8Å 冷冻电镜结构,为三聚体形式的呼吸链复合物II的生理意义提供了结构见解。研究还鉴定出 SdhF膜锚定亚基,揭示了协同催化活性的结构基础。此外,该研究为基于结构的抗结核药物发现奠定了重要的理论指导 。

2020年10月

饶子和/张兵研究团队在《Science Advances》上报道了耻垢分枝杆菌中特异性转运海藻糖的ABC importer LpqY-SugABC在前静息状态、静息状态、前移位状态和催化中间态共四个功能状态的高分辨率三维空间结构。该研究不仅揭示了分枝杆菌摄取重要营养物质海藻糖精确的分子机制,更为重要的是,提供了高精度的LpqY-SugABC的原子坐标,将为后续海藻糖类抗结核药物的设计奠定重要的结构基础 。

饶子和院士团队通过多年努力基本攻克了结核病关键药靶领域已知仅剩的几个战略高地。由年轻的团队成员组建的抗结核结构研究中心将凝聚力量,深入研究,在结核病基础研究上不断发力,开展系统性、体系化、高水平的研究。饶子和院士表示,团队此后还将继续在这个领域耕耘,全力推动抗结核新药的研发,加快基础研究成果的转化。

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

5.https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30036-4

6.https://www.nature.com/articles/s41467-019-11860-z

7.https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102

8.https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/44/eabb9833.full.pdf

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