在国家自然科学基金项目(批准号:82222042、32100976、32394010)等资助下,南开大学生命科学学院贡红日教授、饶子和院士团队联合广州实验室刘凤江副研究员、上海科技大学免疫化学研究所高岩副研究员,在研究贝达喹啉(Bedaquiline,
BDQ)及其衍生物TBAJ-587抑制结核分枝杆菌ATP合成酶的分子机理方面取得了重要进展。该研究成果以“BDQ及TBAJ-587对结核分枝杆菌和人源ATP合成酶的抑制机制(Inhibition
of M. tuberculosis and human ATP synthase by BDQ and
TBAJ-587)”为题,于2024年7月3日在线发表于《自然》(Nature)杂志。 结核病是由结核分枝杆菌引发的传染性疾病,主要侵袭肺部,严重时可导致死亡,是全球关注的重大公共卫生问题之一。BDQ是一种靶向结核分枝杆菌ATP合成酶的抑制剂,可以高效抑制结核分枝杆菌的生长,是近半个世纪以来研发上市的第一个抗结核新药,被世界卫生组织列为耐利福平结核病和耐多药结核病长程治疗方案的首选药物。然而,研究发现BDQ与钾离子通道蛋白hERG相互作用导致患者心律失常的风险增加,而且对人源ATP合成酶也存在潜在的交叉抑制活性。因此,揭示BDQ的作用机理及其抑制人源ATP合成酶活性的分子机制,对于开发新型结核分枝杆菌ATP合成酶抑制剂、减少治疗副作用具有重要意义。 研究团队采用了“基因敲入-基因敲除-基因过表达”策略,结合亲和层析及凝胶过滤层析蛋白纯化方法,成功获得了耻垢分枝杆菌中均一稳定有活性的结核分枝杆菌ATP合成酶蛋白样品。利用单颗粒冷冻电镜技术,研究团队成功解析了BDQ结合状态下结核分枝杆菌ATP合成酶的高分辨率冷冻电镜结构。他们发现,BDQ及其衍生物TBAJ-587主要通过喹啉基团(A基团)和二甲氨基基团(D基团)与结核分枝杆菌ATP合成酶的多个跨膜区域位点相互作用,阻止了ATP合成酶跨膜区域c环的旋转,从而阻断质子的运输和ATP的合成,最终切断结核分枝杆菌的能量获取,实现对病菌的杀伤效果。 此外,研究团队还成功解析了人源ATP合成酶结合BDQ的冷冻电镜结构,发现BDQ和TBAJ-587对人源ATP合成酶均存在交叉反应。基于BDQ中B基团和C基团优化产生的TBAJ-587能够降低与hERG蛋白的相互作用,但要进一步优化其A基团才能降低与人源ATP合成酶的相互作用。 这项研究全面解析了BDQ及其衍生物TBAJ-587抑制结核分枝杆菌ATP合成酶的分子机理,揭示了它们与人源ATP合成酶之间的交叉反应机制。这为开发出更高选择性、具有更少副作用的抗结核药物提供了理论支持。研究成果表明,通过进一步优化这些化合物的结构,可以减少对人源ATP合成酶的抑制作用,同时保留其对结核分枝杆菌的强效抑制能力。 该研究不仅在科学理论上具有重要的突破性意义,也为临床上开发新的抗结核药物提供了重要参考。未来,随着更多实验和临床试验的开展,这些发现有望转化为实际的治疗手段,为结核病患者带来新的希望和更好的治疗效果。这项研究进展展示了科学家们在抗结核药物研发领域的创新思路和努力,推动了这一领域的进一步发展。通过深入理解药物与靶标蛋白之间的相互作用机制,研究团队为解决长期困扰医学界的难题提供了新的解决方案,也为未来的药物设计和优化提供了宝贵的指导。