图 结核分枝杆菌ATP合成酶结合贝达喹啉的冷冻电镜结构

　　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合成酶的分子机理研究方面取得进展，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。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07605-8。

　　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。

　　该研究团队利用“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，借助耻垢分枝杆菌获得了均一稳定有活性的结核分枝杆菌ATP合成酶蛋白样品；借助单颗粒冷冻电镜技术成功解析了BDQ结合状态下的结核分枝杆菌ATP合成酶的高分辨率冷冻电镜结构（图），发现BDQ以及其衍生物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合成酶发生相互作用并结合到跨膜区域的多个位点，阻止了ATP合成酶跨膜区域c环的旋转，阻止了质子的运输，抑制了ATP的合成，从而阻断结核分枝杆菌的能量获取实现杀伤效果。该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，而基于BDQ中B基团和C基团优化产生的TBAJ-587只能降低与hERG蛋白相互作用，进一步优化其A基团才有可能降低与人源ATP合成酶的相互作用。

　　该研究解析了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合成酶间的交叉反应机制，为开发更高选择性的抗结核药物提供了理论支持。