饒子和團隊《Science》發表長文 破解結核分支杆菌能量代謝奧秘 助力抗結核新葯研發
作為全球頭號傳染性疾病，結核病的致病菌結核分枝桿菌近年來表現出日漸嚴重的耐藥性，耐多葯結核甚至極端耐葯結核已經成為威脅人類健康的重大挑戰。切斷致病菌的能量補給「線路」，使其「飢餓致死」，成為一種應對耐葯結核的新思路。然而，「摸清」致病菌的能量代謝路徑至關重要。近日，南開大學饒子和院士團隊聯合國內外多家科研機構開展的一項研究，破解了結核分支杆菌能量代謝的奧秘，為抗擊耐葯結核的新葯研發奠定了重要基礎。美國東部時間10月25日下午，該成果論文以研究長文的形式在線發表於國際頂級學術期刊《科學》(Science)上。北京時間26日下午，饒子和院士在南開大學省身樓舉辦的發布會上介紹了這一重大科學進展。
饒子和院士團隊科研成果發布會。
饒子和院士團隊的這項工作基於分枝桿菌能量代謝系統呼吸鏈超級複合物的高解析度(3.5 ?)冷凍電鏡結構，揭示了生命體內一種新的醌氧化與氧還原相偶聯的電子傳遞機制。同時，也是首次通過結構生物學的研究，發現超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)直接參与呼吸鏈系統氧化還原酶超級複合物的組裝，並協同工作的現象。
分枝桿菌呼吸鏈超級複合物CIII2CIV2SOD2的3.5 ?解析度冷凍電鏡結構
呼吸作用是生命體內最基礎的能量代謝活動之一，生命體可以通過呼吸作用將能量物質(糖、氨基酸及脂肪酸等)轉化為機體可以直接利用的高能分子三磷酸腺苷(adenosine triphosphate，ATP)。呼吸作用主要由位於微生物細胞質膜或線粒體內膜上的五個大型跨膜複合物：複合物I(NADH脫氫酶)、複合物II(琥珀酸脫氫酶)、複合物III(醌：細胞色素c氧化還原酶)、複合物IV(細胞色素c氧化酶)和複合物V(ATP合成酶)，以及兩種電子傳遞載體醌和細胞色素c共同參與完成，被稱為呼吸鏈。其中，由於複合物I-IV通過電子傳遞實現氧化還原反應的串聯，進而產生驅動複合物V中ATP合成的跨膜質子梯度，其又被稱為電子傳遞鏈。此前研究表明，呼吸鏈組分可以進一步聚合組裝形成超級複合物，促進其之間串聯反應的發生，在能量代謝效率和多種生理過程的調控方面具有重要意義。在高等動物中，呼吸鏈超級複合物的組裝失調與多種疾病的發生緊密相關；而在微生物中，呼吸鏈超級複合物的阻斷則是研發藥物抑制其擴增、侵染的重要策略。
分枝桿菌所屬放線菌門的呼吸鏈系統
「複合物III和複合物IV組裝形成的超級複合物是生物界較為廣泛存在的一種超級複合物形式，特別是對於結核分枝桿菌所屬的放線菌門下的多種致病菌的能量供應十分重要。另外，在呼吸鏈研究方面，此前已報導的高等動物線粒體中複合物I-III-IV形成的「呼吸體」等結構中，複合物III和複合物IV並沒有形成廣泛的直接相互作用。同時，由於線粒體內細胞色素c蛋白以可溶的遊離形式存在，其介導的複合物III到複合物IV之間的電子傳遞，是在呼吸體等超級複合物內部完成還是跨越多個超級複合物，尚有存疑。我們這個工作，揭示了電子直接從複合物III到複合物IV之間的完整傳遞路徑，以及兩個複合物的串聯反應機制，是我們團隊繼2005年在《Cell》雜誌首次報道真核線粒體複合物II晶體結構以來，解決的又一個呼吸鏈領域裡大家十分關注，而又一直未解的重要科學問題。」饒子和院士說。
據論文共同第一作者南開大學博士生貢紅日、許傲介紹，這項工作的順利完成是整個團隊在結核分枝桿菌多年的研究準備和技術積累的結果。從樣品的提純優化到活性驗證，再到冷凍電子顯微樣品的製備以及數據處理方法的改良，直至最終近原子解析度分子結構模型的獲得，以及後續脂質組學檢測、原子吸收光譜測定、電子順磁共振實驗等大量的生物化學和生物物理手段的配合，終於揭開了電子在這個超級複合物內完整傳遞路徑的神秘面紗。
據介紹，這項研究另一個「頗令人意外」的發現是，雖然超氧化物歧化酶(SOD)長久以來從酶學功能上被認為與呼吸鏈的氧化還原反應具有相關性，特別是與線粒體中以呼吸鏈為中心的氧化磷酸化系統的自由基清除，以及微生物侵染過程中宿主的免疫反應都有密切聯繫，但一直缺乏直接的證據。同時，SOD參與其中的分子機制亦多有爭議。
「我們的研究首次以結構生物學的視角，證實了SOD在分枝桿菌細胞周質內與呼吸鏈複合物間存在直接相互作用，並具有清除潛在自由基、協同氧化還原反應的作用。」研究團隊主要成員王權博士和李俊副研究員介紹，更為重要的是這個發現提示這可能是結核分枝桿菌為代表的放線菌在宿主巨噬細胞內抵抗宿主免疫反應的一種重要機制。這為進一步認識結核分枝桿菌與宿主的相互作用帶來了新的啟示。
SOD參與協同分枝桿菌呼吸鏈III-IV超級複合物的氧化還原反應
該工作在新葯研發方面亦有著重要的意義。據世界衛生組織報道，當前結核病已發展為全球頭號感染性疾病，幾十年來異煙肼、利福平等藥物組合的長期使用，衍生出日漸嚴重的菌株耐葯問題，耐多葯結核甚至極端耐葯結核已經成為結核病治療領域最大的挑戰之一。而近年研究表明，靶向能量代謝系統能夠顯著地克服現有藥物的耐葯問題，其作為治療耐葯結核病的新型藥物靶向系統，日漸受到矚目。2012年獲美國FDA加速審批通過，並於2018年3月進入我國市場的首個治療耐多葯結核新葯貝達喹啉(Bedaquiline)就是作用於呼吸鏈系統抑制其能量合成，從而達到殺滅結核桿菌治療耐葯結核的目的。
「我們研究的這個複合物是個炙手可熱的藥物靶標，當前正處於臨床II期的藥物分子Telacebec (Q203)正是通過抑制該複合物天然底物的結合，阻斷結核桿菌有氧呼吸途徑，進而發揮藥理作用的。」饒子和院士說。「這項工作對於進一步優化該藥物及開發類似甚至更為有效的新葯都將起到巨大的推動作用。」參與該工作的南開大學藥學院院長楊誠教授補充評價道。
超級複合物中的底物和潛在藥物結合位點
據了解，饒子和院士團隊長期致力於我國新發再發傳染性疾病病原體相關蛋白質的結構與功能研究，以及創新藥物的研發。本研究是繼年初皰疹病毒的組裝機制後，該研究團隊今年在《科學》(Science)上發表的第二篇長文。本論文的共同第一作者為南開大學在讀博士生貢紅日、許傲和上海科技大學免疫化學研究所李俊副研究員；中國科學院生物物理研究所王權博士、孫飛研究員和饒子和院士為共同通訊作者。南開大學、中國科學院生物物理研究所、上海科技大學為課題的主要牽頭單位，清華大學、中國科技大學、中國科學院生物化學與細胞生物學研究所、中國科學院遺傳與發育生物學研究所、天津國際生物醫藥聯合研究院、英國牛津大學、澳大利亞昆士蘭大學等單位參與了研究。同時，該工作得到了科技部、中國科學院B類戰略性先導科技專項、國家自然科學基金委的項目資助，國家超級計算天津中心和國家蛋白質科學中心(上海)提供了部分技術支持。
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