饶子和：解析分枝杆菌关键药靶蛋白MmpL3以及“药靶─药物”复合物的三维空间结构

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      国际顶尖期刊《Cell》同时发表了上海科技大学的重大科研成果，上科大免疫化学研究所领衔的科研团队率先在国际上成功解析分枝杆菌关键药靶蛋白MmpL3以及“药靶─药物”复合物的三维空间结构，揭示了创新药物杀死细菌的全新分子机制，为今后新型抗生素的研发开辟了一条全新路径。

结核分枝杆菌，是引起结核病的病原菌，可侵犯全身各器官，尤以肺结核为最多见。至今，结核病仍为重要的传染病之一。尽管在上个世纪中叶，链霉素的发现结束了几千年来结核杆菌肆虐人类生命的历史，此后科学家们又开发了异烟肼、利福平等有效药物，然而近年来，艾滋病与结核病的交叉感染以及药物的不合理使用，导致了耐药结核病的产生，再次成为危害全球公共卫生的严重问题。据统计，全世界目前仍有约1/3的人口被结核杆菌感染。世界卫生组织近期发布的《全球结核病报告》显示，2017年全球结核病患者死亡人数约为160万，新发结核病患者约1000万，在感染性疾病中堪称“头号杀手”。因此，针对结核分枝杆菌新药靶点的发现以及新药的研发迫在眉睫。

不同于其他细菌，作为一种分枝杆菌，结核杆菌的细胞表面有一层非常致密的细胞壁，而分枝菌酸就是这层细胞壁的主要成分之一。由于分枝菌酸的存在，结核杆菌不仅可以免受许多化学物质的侵蚀，还可以耐受很多常见的抗生素。不过，再可怕的敌人也有致命弱点，结核杆菌也不例外。结核杆菌赖以生存的分枝菌酸，其合成与运输的过程恰恰就是它的致命弱点。最近，科学家们发现分枝杆菌中有一种被称为“MmpL3”的膜蛋白在分枝菌酸的制造过程中起了关键作用。它负责把细菌在细胞内合成的分枝菌酸前体转运到细胞膜外，这些前体物质会被进一步加工合成为分枝菌酸。因此，MmpL3蛋白在分枝菌酸合成通路中起到了一台“传送机”的作用。这台“传送机”的动力来源于膜外侧的质子向膜内侧流动形成的质子流。这股质子流就像水流发电一样，给这台“传送机”提供了源源不断的动力。鉴于MmpL3对分枝杆菌至关重要的地位，它已成为抗结核新药研发的一个关键靶标。目前，有报道称国际制药公司利用高通量技术筛选获得的抗结核新药SQ109（已完成临床II-III期试验）可能靶向MmpL3。但是，这台“传送机”的构造仍然是一个谜，科学家们对临床抗结核药物SQ109如何靶向MmpL3的分子机制更是一无所知。这些都成为了抗结核新药研发中的国际难题。

免疫化学研究所特聘教授饶子和院士的科研团队一直致力于针对结核杆菌的新药靶点研究及新药研发。2018年10月25日，研究团队解析了分枝杆菌能量代谢系统呼吸链超级复合物的高分辨率冷冻电镜结构，在呼吸链领域取得了重要突破，以研究长文（Research Article）的形式在国际顶尖期刊《Science》上发表。在此基础上，该研究团队继续打响了抗结核杆菌新药研发的“攻坚战”。为了揭示分枝杆菌中关键药靶蛋白MmpL3的工作机制和阐明临床药物SQ109的杀菌机理，历经近6年的漫长时光，研究团队先后克服了样品量少、稳定性差以及晶体生长和衍射等一系列难题，最终利用X-射线晶体衍射技术，成功解析了MmpL3蛋白及其与多种候选药物复合物在原子分辨率水平的三维空间结构，破解了这台“传送机”工作的奥秘和候选药物的杀菌机制。

研究发现，MmpL3蛋白可分为膜外、跨膜和细胞内三个部分。同时，研究人员还捕捉到这台“传送机”在输送底物（分枝菌酸合成前体类似物）时的状态，首次描绘了其在工作状态的三维图像。不仅如此，研究团队还分别解析了MmpL3蛋白与三种抑制剂（SQ109、AU1235和ICA38）复合物三维空间结构，揭开了SQ109如何进攻MmpL3蛋白使其失活、杀死细菌之谜。研究发现，SQ109等抑制剂小分子都靶向MmpL3蛋白的跨膜区，“封闭”该蛋白的质子内流通道，破坏MmpL3工作时的能量供给，直接造成这台“传送机”的“瘫痪”。为了设计更有效的抑制剂，研究团队还利用计算机“虚拟筛选”技术，对成药库的药物分子进行了筛选。研究人员惊奇地发现，一种曾经在市场上销售的减肥药利莫那班(rimonabant)竟有可能是MmpL3蛋白的抑制剂。更令人不可思议的是，利莫那班是全球首个针对人源大麻素受体CB1的拮抗剂，很难想象靶向人类蛋白受体的药物也可以杀死结核杆菌。随后研究团队又解析了利莫那班与MmpL3蛋白复合物的三维结构，从而证实了这一结论。该结构显示，利莫那班同样“神奇”地堵住了MmpL3的质子内流通道。但是，这种结合模式既不同于上述SQ109等抑制剂的结合方式，与“利莫那班-CB1受体”的结合模式也是大相径庭。

据饶子和院士介绍，MmpL3蛋白隶属于RND（Resistance, Nodulation and Division）蛋白质超家族。这类蛋白质广泛存在于各种病原菌中，不过它们主要扮演着“药泵”的角色。当细菌摄入抗生素后，这类家族的蛋白质就开始工作，负责把细菌胞内的抗生素排出胞外。因此，这类蛋白质也往往是病原体对抗生素耐药的罪魁祸首。有趣的是，尽管RND蛋白质超家族的成员们形形色色，长相也不尽相同，但它们都通过质子内流获取能量、行使功能。本研究首次勾勒出药物分子如何精确制导“打击”引发细菌耐药的蛋白质超家族成员关键活性部位的三维图像，其意义在于不仅为由分枝杆菌引起的疾病（结核病、麻风病等）的药物研发奠定了重要的理论基础，更为新型抗生素的研发、解决全球日趋严重的抗生素耐药问题开辟了一条全新途径。

谈及这个课题的研究历程，论文第一作者张兵百感交集：6年来的研究过程对研究人员的体力、毅力和心理承受能力，都是一个大考验。很多时候我们满怀希望、通宵达旦地在上海光源开展实验，衍射了成百上千颗的蛋白质晶体，但却无法获得一套可供开展后续工作的数据，信心几近崩溃。由于课题的难度极大，也曾想过放弃。但每当脑海里浮现出这个念头时，饶老师对我的谆谆教诲就在耳边萦绕“结核病是一个穷人病，我们国家是结核病主要负担国之一，由于利润低，很多知名的药物公司都停止了抗结核药物的研发，我们作为一名科研工作者，要义不容辞地把这个担子挑起来!”师长的期望给予了我很大鼓励，使我在科研道路上坚持不懈、初心不改。作为上海科技大学的学子，“立志、成才、报国、裕民”的育人理念已经深深烙在我们每个上科大人的心里，激励着我为研发有自主知识产权的抗结核药物一如既往、攻坚克难，贡献自己一份力量。通过一次次认真总结和创新尝试，“屡战屡败、屡败屡战”，功夫不负有心人，直至此次我们团队终于攻克了这个世界性难题。当饶老师通知我论文被《Cell》杂志接受的时候，他语重心长地说“今晚你终于可以睡个好觉了”。那一刻我激动得热泪盈眶，感慨自己这一路走来的不易，感激研究团队对自己的帮助，感谢学校对自己的支持。

上述成果以“Crystal structures of membrane transporter MmpL3, an anti-TB drug target”为题，在《Cell》上发表。上海科技大学2013级硕博连读研究生张兵为论文第一作者，免疫化学研究所副研究员李俊为论文的并列第一作者兼共同通讯作者，免疫化学研究所研究员杨海涛、特聘教授饶子和院士为共同通讯作者。上科大为第一完成单位。本项研究由多家科研单位联合攻关、协作完成。上海科技大学免疫化学研究所姜标教授，iHuman研究所刘志杰教授和中科院上海药物研究所蒋华良院士参与了此项研究，同时，该工作获得了上海科技大学生命科学与技术学院的大力支持，国家蛋白质科学中心（上海）和中科院生化细胞所提供了技术支持。