然而，研究發(fā)現(xiàn)BDQ由于與鉀離子通道蛋白hERG相互作用導(dǎo)致患者心臟發(fā)生心律失常的風(fēng)險(xiǎn)增加，而且對(duì)人源ATP合成酶也存在潛在的交叉抑制活性。因此，揭示結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶的工作機(jī)制和BDQ的作用機(jī)理及其抑制人源ATP合成酶活性的分子機(jī)制，對(duì)于開發(fā)新型結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶抑制劑具有重要意義。
近日，南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院貢紅日教授、饒子和院士聯(lián)合廣州國家實(shí)驗(yàn)室劉鳳江副研究員、上海科技大學(xué)免疫化學(xué)研究所高巖副研究員在《Nature》發(fā)表題為“Inhibition of M. tuberculosis and human ATP synthase by BDQ and TBAJ-587”的研究論文，闡釋了貝達(dá)喹啉（Bedaquiline, BDQ）及其衍生物TBAJ-587抑制結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶的分子機(jī)理，同時(shí)揭示了它們與人源ATP合成酶間的交叉反應(yīng)機(jī)制，對(duì)于開發(fā)新一代高選擇性的抗結(jié)核藥物具有重要指導(dǎo)意義。
研究團(tuán)隊(duì)首先利用“基因敲入-基因敲除-基因過表達(dá)”策略結(jié)合親和層析及凝膠過濾層析蛋白純化方法最終借助恥垢分枝桿菌獲得了均一穩(wěn)定有活性的結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶蛋白樣品。隨后研究團(tuán)隊(duì)摸索優(yōu)化冷凍樣品制備條件，借助單顆粒冷凍電鏡技術(shù)成功解析了BDQ結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。研究發(fā)現(xiàn)，BDQ主要通過喹啉基團(tuán)（A基團(tuán)）和二甲氨基基團(tuán)（D基團(tuán)）與結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶強(qiáng)烈地相互作用并結(jié)合到跨膜區(qū)域的多個(gè)位點(diǎn)，阻止了ATP合成酶跨膜區(qū)域c環(huán)的旋轉(zhuǎn)，從而阻斷了質(zhì)子的運(yùn)輸，最終阻止了ATP的合成，達(dá)到“餓死”結(jié)核分枝桿菌的目的。
圖1 結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶結(jié)合BDQ的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
BDQ衍生物中最具代表性的是TBAJ-587和TBAJ-876，目前候選藥物均已進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)解析了TBAJ-587結(jié)合狀態(tài)下的結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（如圖2所示）。結(jié)構(gòu)顯示，TBAJ-587與結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶的結(jié)合模式和BDQ的結(jié)合模式相同。而且，TBAJ-587與BDQ都是主要通過A基團(tuán)和D基團(tuán)與結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶發(fā)生相互作用。
圖2 結(jié)核分枝桿菌ATP合成酶結(jié)合TBAJ-587的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
最后，研究人員分析發(fā)現(xiàn)BDQ和TBAJ-587均對(duì)人源ATP合成酶存在交叉反應(yīng)。隨后研究人員成功地解析了人源ATP合成酶結(jié)合BDQ的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（如圖3所示）。分析發(fā)現(xiàn)，基于BDQ中B基團(tuán)和C基團(tuán)再設(shè)計(jì)產(chǎn)生的TBAJ-587只是降低了與hERG蛋白相互作用引發(fā)心臟發(fā)生心律失常的風(fēng)險(xiǎn)，A基團(tuán)再設(shè)計(jì)優(yōu)化才有可能降低與人源ATP合成酶的相互作用，進(jìn)而規(guī)避臨床治療中帶來的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。
圖3人源ATP合成酶結(jié)合BDQ的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)
值得一提是，《Nature》期刊同時(shí)邀請(qǐng)了生物能學(xué)戈登會(huì)議原主席 Gregory Cook 教授及其同事在News & Views專欄為本研究撰寫題為“Enzyme blueprints will aid tuberculosis drug design”的亮點(diǎn)評(píng)述。
南開大學(xué)博士研究生張玉瑩、賴越崢為本文的共同第一作者。南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院貢紅日教授、饒子和院士，廣州國家實(shí)驗(yàn)室劉鳳江副研究員，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所高巖副研究員為共同通訊作者。
以上工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目、國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)青年人才托舉工程等項(xiàng)目的資助。廣州國家實(shí)驗(yàn)室彭偉研究員和郭宇研究員為本工作提供了關(guān)鍵支持。廣州國家實(shí)驗(yàn)室影像成像子平臺(tái)和上海科技大學(xué)生物電鏡平臺(tái)提供了重要的技術(shù)支持。
