結核病（Tuberculosis，TB）是由結核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）引起的傳染性疾病。據世界衛生組織公佈的《2021年全球結核病報告》，全球結核潜伏感染人群接近20億。2020年，全球新發結核病患者987萬，我國結核病新發患者數為84.2萬（2019年83.3萬）。為了實現對結核病的控制，人們迫切需要新的抗結核藥物，尤其是可以針對耐多藥和極端耐藥菌株及可以縮短治療時間的藥物。結核分枝杆菌的氧化磷酸化系統是結核分枝杆菌生長和生存所必需的，由此被認為是研發新型抗結核藥物的重要靶點。靶向該系統的藥物可以為嚴重威脅人類健康的藥物敏感性和耐藥性結核病帶來新的治療方案。
近期，上海科技大學免疫化學研究所抗結核結構研究中心科研團隊在抗結核藥物靶點呼吸鏈末端氧化酶研究中連續取得重要進展，為靶向氧化磷酸化系統的抗結核藥物設計奠定了基礎。
11月26日，上海科技大學特聘教授、清華大學教授饒子和院士，免化所副研究員高岩聯合南開大學生命科學學院副教授貢紅日在eLife發表題為“Structure ofMycobacterium tuberculosiscytochromebccin complex with Q203 and TB47，two anti-TB drug candidates”的研究論文，首次闡明了抗結核候選藥物Q203和TB47發揮特异性殺菌功能的分子機理，為進一步優化並開發更為有效的抗結核新藥奠定重要基礎。
現時備受關注的且已完成臨床II期試驗並取得積極結果的新型抗結核候選藥物Q203（Telacebec）和處於臨床前期試驗的TB47正是通過抑制結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bcc複合物的功能而達到殺菌目的。然而，關於它們發揮特异性抑制功能的分子機理尚不清晰。繼2018年揭示分枝杆菌呼吸鏈bcc-aa3超級複合物的電鏡結構之後，研究團隊再次利用單顆粒冷凍電鏡科技解析了結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bcc複合物天然狀態，以及分別與已完成臨床Ⅱ期試驗的Q203和處於臨床前期試驗的TB47兩種抗結核候選小分子藥物結合狀態的三種高解析度結構，並借助分子動力學等科技首次闡明了Q203和TB47發揮特异性殺菌功能的分子機理，為進一步優化上述候選藥物及開發更為有效的抗結核新藥都將起到巨大的推動作用。
Q203和TB47靶向結核分枝杆菌細胞色素bcc複合物的作用機制
研究發現，Q203和TB47是通過結合在結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bcc複合物的天然底物醌的氧化位點，進而封锁可提供電子的底物醌的結合，抑制了電子傳遞正常的傳遞，阻礙了能量流通貨幣三磷酸腺苷（ATP）的合成，從而達到了“餓死”結核菌的功效。值得一提的是，研究提示因形成氫鍵對穩定結合Q203和TB47起到關鍵作用的胺基酸殘基313Thr和314Glu（二者是QcrB亞基的胺基酸殘基）在致病性分枝杆菌中是高度保守的。囙此，本研究成果也將有利於指導Q203和TB47用於其他致病性分枝杆菌臨床治療，及新型抑制劑的開發。此外，Q203和TB47對引起人類布魯裡潰瘍疾病的潰瘍分枝杆菌有良好殺菌效果的研究報導也進一步印證了本研究成果。這是抗結核結構研究中心在揭示抗結核藥物分子SQ109，乙胺丁醇與靶點複合物結構後的又一重要“藥物-藥靶”機制的工作。
本論文中，南開大學藥學院博士研究生周珊和上海科技大學生命科學與技術學院博士研究生王偉偉為並列第一作者。南開大學副教授貢紅日、上海科技大學特聘教授饒子和院士、副研究員高岩為共同通訊作者。
雖然Q203和TB47是通過靶向抑制結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bcc複合物的功能而達到殺菌目的。然而，作為結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bcc複合物路徑的補償通路，細胞色素bd複合物在細胞色素bcc複合物被候選藥物Q203和TB47靶向抑制的情况下，可以通過補償能量代謝進而降低這些抑制劑的殺菌效果。囙此，開發靶向結核分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bd複合物的抑制劑顯得尤為迫切。
此前，上科大免化所饒子和院士、王權研究員與南開大學生命科學學院貢紅日副教授合作，於2021年7月30日在Nature Communications線上發表題為“Cryo-EM structure of mycobacterial cytochromebdreveals two oxygen access channels”的研究論文。團隊利用單顆粒冷凍電鏡科技解析了耻垢分枝杆菌細胞色素bd複合物的高解析度（2.8Å）的結構，結合生物實驗及相關已知結構功能數據，鑒定出兩個潜在的氧氣運輸通道，由此提出了一種新的醌氧化與氧還原相偶聯的催化機制。
研究結果顯示，分枝杆菌細胞色素bd複合物僅由CydA和CydB兩個亞基組成，並採取近二次對稱軸的排布管道。結構以及序列比對發現分枝杆菌細胞色素bd的醌底物結合區域Q-loop具有物種特异性，提示其可作為原核生物細胞色素bd進化分析的標誌物。研究表明，分枝杆菌細胞色素bd複合物在低氧環境中表達，且具有較高的氧親和力。本研究通過生化實驗並結合前人的結構功能數據，提出分枝杆菌細胞色素bd複合物存在雙氧氣運輸通道，由此闡釋了結核菌具有更强耐低氧能力的分子機制。這些發現進一步豐富了我們對於原核生物細胞色素bd複合物的結構功能的認知，更為後續針對該靶點的抗結核藥物設計奠定了基礎。
分枝杆菌呼吸鏈細胞色素bd複合物發揮功能的分子機制
上海科技大學生命學院博士研究生王偉偉和免化所高岩副研究員為該研究論文的共同第一作者。南開大學貢紅日副教授、上海科技大學特聘教授饒子和院士及王權研究員為共同通訊作者。
以上研究工作得到了上海科技大學生物電鏡平臺中心和國家蛋白質科學中心（上海）質譜平臺的支持及科技部和國家自然科學基金委的專案資助。
值得一提的是，饒子和院士團隊長期以來一直關注結核病重要靶點的結構和功能研究並建立了上科大免化所抗結核結構研究中心。近年來在培養一批優秀青年人才的同時，在這一基礎性領域內不斷取得重要成果。這些成果對結核桿菌生存致病機理、抗結核藥物殺菌抑菌機理、結核桿菌耐藥機理等進行了深刻的闡述，為結核新藥的研發提供了重要的數據基礎，為抗結核新藥的研發提供了巨大的推動力。