抗结核药物靶点结构解析取得新进展

快科技：结核分枝杆菌（Mycobacterium Tuberculosis）引起的结核病是一种古老的伴随人类历史最长的慢性传染病。世界卫生组织发布的《2020年全球结核病报告》估算全球结核潜伏感染人群接近20亿，2019年全球新增结核病患者996万例，死亡121万例。2019年全球新发的结核病患者中，约有3.3%的新患者和18%的复治患者对利福平耐药。全球估算利福平耐药结核病患者数约46.5万，其中耐多药结核病约占78%。耐药结核病已对全球公共卫生构成重大威胁。因此，抗结核药物靶标发现及新药研发迫在眉睫。

4月15日，南开大学生命科学学院贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学等多个单位在国际知名期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Science, PNAS）在线发表题为 “Cryo-EM structure of Mycobacterium smegmatis DyP-loaded encapsulin” 的研究论文。研究团队运用单颗粒冷冻电镜技术（single-particle cryo-electron microscopy）首次成功解析了一种天然提取的、装载DyP蛋白的分枝杆菌蛋白纳米隔室高分辨率三维结构，揭示了纳米隔室系统清除过氧化氢保护细胞免受氧化损伤的分子机制，为抗结核病的药物开发提供了结构基础。

　　分枝杆菌蛋白纳米隔室系统

结核分枝杆菌属于胞内致病菌，在感染巨噬细胞的过程中能够运用多种途径干预或逃避宿主细胞的免疫防御，进而促进自身在宿主细胞中的长期存活，其中一种重要的逃逸手段是调控自身过氧化物酶的表达抵御宿主细胞的氧化压力。细胞分区作为生命体的重要组织特征，从真核生物的细胞器到原核生物的纳米隔室，以不同的复杂程度存在于所有的生命活动中。纳米隔室由外壳蛋白和不同的货物蛋白组成，货物蛋白通过末端靶向肽特异性与外壳内部相互作用，在维持细菌代谢稳态及抵抗氧化压力中发挥重要的作用。然而，目前结核分枝杆菌来源的纳米隔室货物蛋白的组装机制及该系统的抗氧化分子机制尚不清楚。

　　装载DyP纳米隔室的过氧化氢清除机制

研究团队从平台期耻垢分枝杆菌（一种结核分枝杆菌模式菌）的膜组分中分离纯化出分子量~2.2 MDa的具有过氧化物酶活性的天然纳米隔室蛋白复合物，并通过单颗粒冷冻电镜技术首次完整解析了装载货物蛋白的纳米隔室三维结构。本研究中纳米隔室的外壳由60个CFP-29亚基组装成直径为24 nm，厚度为2.5 nm的正二十面体。内部货物蛋白由十二聚体形式的染料脱色型过氧化物酶（Dye-decolorizing peroxidase, DyP）构成并 “横卧”在隔室内部并呈动态变化。外壳蛋白对DyP具有重要的稳定和保护作用。纳米隔室三维结构显示，DyP是结核分枝杆菌纳米隔室发挥抵御抗氧化压力的主要货物蛋白。同时，研究团队基于纳米隔室系统外壳蛋白和货物蛋白的结构及电荷分布特征提出了过氧化氢（H2O2）清除的潜在分子机制。值得一提的是，研究团队于2018年发表在《科学》（Science）期刊上的呼吸链超级复合物III2IV2SOD2可将超氧化物自由基转化为H2O2。纳米隔室系统和呼吸链系统的空间分布及功能协同关系提示结核分枝杆菌具有更强的抗氧化能力。此外，本研究的纳米隔室的结构信息也为基于蛋白质结构的纳米颗粒在药物递送、纳米反应室和疫苗开发等领域的应用提供重要的指导信息。

　　本文第一作者为南开大学生命科学学院2017级博士研究生唐延婷和中国科学院大学2017级博士研究生慕安。上海科技大学王权研究员和南开大学贡红日副教授为共同通讯作者。南开大学为第一完成单位。

　　该研究得到了上海科技大学生物电镜平台中心、中科院生物物理研究所蛋白质科学研究平台生物成像中心和国家蛋白质科学中心（上海）质谱平台的技术支持及科技部和国家自然科学基金委的项目资助。（来源：南开大学）