用了半个世纪的抗结核药 精确作用机制或能解决耐药问题

2020
04/26

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韩颖 / 健康界
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治疗结核病的一线药物均为上世纪40-60年代开发,使用已长达半个多世纪。耐药性问题随之产生并且日趋严重,甚至无药医治。

世界卫生组织发布的2019年全球结核病报告指出:2018年全球有17亿结核病潜伏感染者,约为全人口的1/4;全球结核病疫情下降缓慢,2018年估算全球新发1000万例结核病患者;结核病是单一传染病中的头号杀手,排全球死因顺位第十,145.1万人因该病死亡。中国是全球30个结核病高负担国家之一,估算我国2018年新发结核病患者86.6万例,仅次于印度居全球第二位,患者数占全球的8.7%。目前,治疗结核病的一线药物均为上世纪40-60年代开发,使用已长达半个多世纪。耐药性问题随之产生并且日趋严重,甚至无药医治,给结核病防治和公共卫生安全带来了前所未有的压力。因此,针对抗结核药物靶点的研究以及新药的研发迫在眉睫。

4月24日凌晨,国际顶尖学术期刊《Science》以研究长文(Research Article)形式,在线发表上海科技大学免疫化学研究所饶子和院士研究团队与合作者的题为“Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol”的研究论文。该项工作在国际上首次成功解析了分枝杆菌关键的阿拉伯糖基转移酶复合体EmbA-EmbB和EmbC-EmbC的“药靶-药物”三维结构,首次揭示了一线抗结核药物乙胺丁醇作用于该靶点的精确分子机制,为解决结核病耐药问题,研发新型抗结核药物奠定了重要基础。

结核分枝杆菌——引起结核的“罪魁祸首”

结核病是一种结核杆菌侵入人体后引起的一种具有强烈传染性的慢性消耗性疾病。由一种叫结核分枝杆菌的细菌引起。在世界上,有三分之一到四分之一的人感染过这个细菌(WHO 世界卫生组织2018年2月的数据)。它不受年龄、性别、种族、职业、地区的影响,人体许多器官、系统均可患结核病,其中以肺结核最为常见。

肺结核的传染90%以上是通过呼吸道传染的,肺结核病人通过咳嗽、打喷嚏、高声喧哗、使带有结核菌飞沫(医学上称微滴核)喷出体外,健康人吸入后而被感染。

现代医学认为,结核杆菌侵入人体后是否发病,不仅取决于细菌的量和毒力,更主要取决于人体对结核杆菌的抵抗力(免疫力)。

但即使人们感染了这个细菌,他们并不一定会出现症状或者生病。绝大多数人(90-95%)甚至没有意识到他们感染了细菌。这是因为我们的免疫系统十分强大。我们身体里面的免疫细胞可以将细菌包裹住,让它们不能繁殖,因此细菌在我们体内一直是休眠的状态。结核菌可以在我们体内休眠几个月甚至数十年。但是一旦当我们的免疫力变差了,我们的免疫细胞不能困住这些细菌了,这些细菌就会在我们体内繁殖,我们就会生病,也会传播给其他人。这个细菌主要感染我们的肺部,造成肺结核。

结核分枝杆菌的细胞壁极为特殊,主要成分包括分枝菌酸(MA)、阿拉伯半乳聚糖(AG)、肽聚糖(PG)和脂阿拉伯聚糖(LAM)等,对结核菌起到天然保护作用。抑制细胞壁成分的合成被认为是合理的抗结核新药研发思路。当前使用的一线抗结核药物异烟肼、乙胺丁醇等均是通过抑制细胞壁合成发挥作用的。研究表明,乙胺丁醇靶向参与AG和LAM合成的阿拉伯糖基转移酶EmbA,EmbB和EmbC。但是自该药物问世以来,其分子机制一直未被解开,也就无法对乙胺丁醇这一“传统老药”进行更新换代,以解决其日益严重的耐药性问题。

世纪难题——抗结核药物精确作用机制

治疗结核病的一线药物均为上世纪40-60年代开发,使用已长达半个多世纪。随之而来的就是耐药性问题日趋严重。

饶子和院士团队长期以来致力于针对结核病重要靶点的研究及新药开发。研究团队利用X射线晶体学技术和冷冻电镜三维重构技术,成功解析了EmbA-EmbB,EmbC-EmbC分别与底物(Ara2,DPA)和药物乙胺丁醇(EMB)复合物的结构,破解了困扰研究人员长达半个多世纪的抗结核药物机制难题。

 

(A)结核分枝杆菌(Mtb)和耻垢分枝杆菌(Msm)EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2与底物(Ara2,DPA)和药物(EMB)复合物结构;(B)以MtbEmbB为代表展示Emb蛋白结构特征;(C)Emb蛋白拓扑结构示意图

结构研究表明,EmbA和EmbB以异源二体形式,而EmbC则以同源二体形式发挥生理功能。一个令人意外的发现是,参与细胞壁MA合成的AcpM蛋白结合于每个Emb蛋白的胞内侧,分别形成EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2复合体。每个Emb蛋白结构均可划分为一个15次跨膜结构域和两个含有jelly-roll折叠形式的胞外结构域,活性口袋则位于跨膜结构域和胞外结构域之间。研究分析了阿拉伯糖供体(DPA)和二糖(Ara2)在活性位点的精确结合方式。进一步研究发现,乙胺丁醇同样结合于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,最终抑制了细胞壁AG和LAM的合成。通过分析乙胺丁醇临床耐药突变位点,团队成员发现大部分位点均位于EmbB和EmbC的药物结合位置附近。相关位点氨基酸的突变可直接或者间接影响到乙胺丁醇的结合。因此,对于解决耐药性问题,需要在新药设计时考虑到避免这些位点的空间影响。以上研究成果将为乙胺丁醇的优化和靶向Emb蛋白的新药开发奠定坚实的结构理论基础。

(A)乙胺丁醇在靶点蛋白活性位点的结合方式;(B)乙胺丁醇结合位点的相互作用示意图;(C)结构叠合显示乙胺丁醇占据底物阿拉伯糖的结合位点(D-site和A0-site);(D)结构叠合显示乙胺丁醇占据供体DPA的阿拉伯糖结合位点(D-site);(E)对应于(D)的局部放大图

全力推动新药研发 加快成果转化

据上海科技大学介绍,该研究团队通过全面合作,全力推动抗结核新药的研发,加快基础研究成果的转化。

免疫化学研究所饶子和课题组成员合影(从左到右:李俊、赵耀、饶子和、张璐、王权)

总之,该项工作在国际上首次成功解析了分枝杆菌关键的阿拉伯糖基转移酶复合体EmbA-EmbB和EmbC-EmbC的“药靶-药物”三维结构,揭示了一线抗结核药物乙胺丁醇作用于该靶点的精确分子机制,为解决结核病耐药问题,研发新型抗结核药物奠定了重要基础。

原文链接:

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

部分内容来源于上海科技大学

 

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