Science​ | 饒子和團隊破解世紀謎題,發現抗結核老藥的抑菌結構基礎,有望惠及新藥研發

發布日期:2020-06-21

來源於:丁香學術,作者DTT

結核病是由結核杆菌感染引起的慢性傳染病,是一個非常古老而迄今依然威脅人類健康的重要疾病和重大公共衛生問題,是全球前十位死因之一。

據世界衛生組織統計,2018 年,在中國有 86.6 萬人患上肺結核,3.7 萬人死於結核病(這兩個數字為中國新冠肺炎確診人數和死亡人數的 10 倍)。其中多達 66000 位對第一線治療藥物產生耐藥性,占全球耐多藥 / 耐利福平結核病病例的 13.6%。形勢迫在眉睫。



耐藥性(drug resistance)又稱抗藥性。是一種藥物(如抗菌素或抗腫瘤藥)在治療疾病或狀況時有效性的降低。這個詞是在病原體或癌症已經「獲得」耐藥性的情況下使用的,也就是說,病原體或者癌症細胞已經進化。



目前針對結核病,臨床上的一線抗結核化療藥物為乙胺丁醇(EMB)、異煙肼(INH)、利福平(RFP)和吡嗪酰胺(PZA)。這些藥物均為上世紀 40-60 年代開發,使用已經長達半個多世紀,對於這些長期使用的老藥,隨之產生的是日趨嚴重的耐藥性,對於耐多藥結核病患者已經無藥醫治。

因此,針對結核病的耐藥性問題的解決以及新藥的研發刻不容緩。

據報道,抑製結核分枝杆菌細胞壁成分的合成被認為是有效的抗結核新藥研發的思路。一線抗結核藥物乙胺丁醇(EMB)靶向參與阿拉伯半乳糖(AG)和脂阿拉伯聚糖(LAM)合成的阿拉伯糖基轉移酶 EmbA,EmbB 和 EmbC。雖然 EMB 一直在臨床上被廣泛應用了半個多世紀之久,但是其分子機製仍然是未知的。

2020 年 4 月 24 日,上海科技大學免疫化學研究所饒子和院士團隊與合作者在 Science 上發表了題為:Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol  的研究論文。

該研究利用 X-ray 晶體學技術和 Cryo-EM 冷凍電鏡技術,首次解析了分歧杆菌關鍵的阿拉伯轉移酶與分別與底物阿拉伯糖供體和二糖(Ara2,DPA)和乙胺丁醇(EMB)複合物結構,揭示了一線乙胺丁醇(EMB)老藥作用於該靶點的分子機製,為解決結核病的耐藥問題及新藥物的研發提供了重要依據。



EmbA-EmbB 和 EmbC-EmbC

分別與底物和藥物結合的結構

從整體結構來看,EmbA 和 EmbB 以異源二體形式,而 EmbC 以同源二體形式發揮生理功能(如圖 E 所示)。參與細胞壁分枝菌酸(MA)合成的酰基載體蛋白(AcpM)結合於每個 Emb 蛋白的胞內側,分別形成兩種複合體(如圖 E 所示)。EmbA,EmbB 和 EmbC 蛋白結構有著相似的折疊和共同結構特征,比如都有 15 次跨膜結構域,以及 N 端和 C 端的 periplasmic domains (PDs),被稱為 PN 和 PC。周質環 2 (PL2)包含兩個交叉螺旋(EH1 和 EH2),並含有高度保守的與催化相關的 DDX 序列,此活性中心位於胞外結構域和跨膜結構域之間(如圖 F 和 G 所示)。



乙胺丁醇(EMB)、阿拉伯糖供體(DPA)和

二糖(Ara2)在活性位點結合模式

具體結構研究表明,EMB 與 EmbB 和 EmbC 的結合位點(如圖 C 和 D 所示),為了進一步確定 EMB 的作用機理,研究者通過結構比對,得到了 EMB 與阿拉伯糖供體(DPA)和二糖(Ara2)的結構疊合模式(如圖 E 和 F 所示)。通過結構對比我們發現,EMB 占據了催化氨基酸 Asp 兩側的二糖(Ara2)結合位置(D-site 和 A0-site)(圖 E),且占據了阿拉伯糖供體(DPA)結合位點(D-site)。

這樣的結構表明,乙胺丁醇(EMB)同時阻斷了阿拉伯糖供體和受體的結合,最終抑製了細胞壁 AG 和 LAM 的合成。

通過分析乙胺丁醇臨床耐藥突變位點,作者發現大部分位點均位於 EmbB 和 EmbC 的藥物結合位置附近。這些突變可能會影響到 EMB 的結合,因此在設計新藥的時候要避免這些突變氨基酸的影響。



該研究從分子水平揭示了乙胺丁醇如何通過與 EmbB 和 EmbC 底物結合在同一位點抑製阿拉伯糖基轉移酶的抑菌機製。並發現大多數耐藥突變位於乙胺丁醇結合位點附近。總之,此研究為理解阿拉伯糖基轉移酶的生化功能和「傳統老藥」的抑菌機製以及抗結核新藥的開發提供了重要結構基礎。

編者點評

傳統的藥物設計通常從類藥數據庫通過高通量篩選的方法預先確定靶標蛋白,找到先導化合物,而最有效的藥物分子是通過對小分子進行特定的化學優化實現的,也就是基於結構的藥物設計(Structure-Based Drug Design),通過 NMR,X-ray 或 Cyro-EM 確定目標蛋白的結構,基於結構設計優化藥物分子,然後通過生化實驗進一步驗證小分子活性,直到得到最優小分子是基本的基於結構設計的基本策略。

總之,基於結構的藥物設計是從配體和靶點的三維結構出發,以分子識別為基礎進行的藥物設計。

在新藥物設計發現中,解析先導化合物和目的蛋白的複合物結構是最關鍵最核心的一步。這也是這篇文章的重要性之處,從分子水平上揭示了傳統老藥乙胺丁醇與 EmbB 和 EmbC 的結合位點(具體作用的氨基酸),知道其具體作用模式後才可以根據構效關係(Structure-Activity-Relationship)來有效設計合成新的抗結核病藥物,解決耐藥性這一難題。

參考文獻:

1. https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102/tab-pdf

2. https://science.sciencemag.org/content/362/6418/eaat8923

3. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.003