Nature：郭麾等揭示贝达喹啉抑制结核杆菌的分子机制

来源：BioArt

结核最早在人类身上发现是在约9000年前的地中海地区【1】。在东西方诗人和文学家们的描述中，结核常常被附加上浪漫的色彩。这种“浪漫的疾病”，即使在如今抗生素普及的年代，每年仍旧能造成约150万人死亡 【2】，与在今年肆虐全球的新冠（COVID19，截至2020年12月10日死亡人数157万【3】）相比也不遑多让。不仅如此，结核对一线抗生素的耐药性也在逐年上升【2】，让研发新一代结核抗生素变得越发重要。2012-14年在全球多个地区被批准上市的bedaquiline（贝达喹啉，BDQ，Sirturo，TMC207，R207910）是继利福霉素（rifamycins）在1966年用于临床治疗以来被批准的首个新型结核抗生素【4】。在批准后的几年间，BDQ已经成为目前治疗多药耐药和广泛耐药结核病（multidrug-resistant and extensively drug-resistant TB）最安全有效的药物之一【5】。和之前的所有的结核抗生素不同，BDQ的靶点是结核杆菌ATP合成酶【6】。ATP合成酶是广泛存在于细菌，叶绿体和线粒体中的大分子复合物，是细胞的能量货币——ATP的生产工厂。BDQ通过抑制ATP合成酶，限制结核杆菌ATP的合成，从而能够杀死结核杆菌。

近日，加拿大Hospital for Sick Children的John Rubinstein团队在Nature发表了文章Structure of mycobacterial ATP synthase bound to the tuberculosis drug bedaquiline。作者利用单颗粒冷冻电镜技术解析了结核杆菌的近亲分枝杆菌smegmatis（Mycobacterium smegmatis）ATP合成酶与BDQ结合的系列结构，解释了BDQ如何以高亲和力与分枝杆菌ATP合成酶结合，以及ATP合成酶如何通过自动抑制（autoinhibition）使得分枝杆菌得以在缺氧的环境下保存能量，增加存活几率。

ATP合成酶的主要功能是利用电化学质子动力（proton motive force）合成ATP。但有趣的是，当质子动力消失时， ATP合成酶可以反过来水解ATP并消耗能量。结核杆菌是严格的需氧菌，却能够在缺氧的宿主体内以一种低消耗的休眠状态（dormant state）存活多年，直到在合适的条件下才被激活引发病变。因此对缺乏能量的结核杆菌来说，严格管控ATP合成酶的水解尤其重要【7】。通过观察M. smegmatis ATP合成酶的结构，作者们发现亚基α的C末端有一段35个氨基酸左右的延申（下图和视频1）。它像一个钩子一样钩在ATP合成酶的转子部分，让它只能转向合成ATP的方向，从而确保它的水解功能被限制到最低。作者们随后敲除了ATP合成酶的钩子部分，发现敲除钩子后的ATP合成酶展现出了正常的ATP水解活性。

之前的实验成功地证明了BDQ 的结合位点靠近ATP合成酶的亚基c【6,8】。令人不解的是，虽然BDQ能在纳摩尔（nM）浓度抑制ATP合成酶合成ATP【8,9】，但它对亚基c的亲和力只有微摩尔（µM）浓度【9,10】，说明BDQ与ATP合成酶的结合点可能不止包含亚基c【10】。结构显示，BDQ的结合引起了ATP合成酶极大的构象变化。在分枝杆菌ATP合成酶的9个亚基c里，7个可与BDQ结合。这其中5个位点只包含亚基c，而剩余2个位点除了亚基c外还有亚基a的参与（下图C, D），这极大的增加了这两个位点中BDQ与ATP合成酶的范德华接触面。

作者们猜想这两个有亚基a参与的位点才是BDQ能在纳摩尔浓度抑制ATP合成酶的原因。为了验证这个假设，作者们用脱盐离心柱（desalting column）冲洗了与过量BDQ结合的ATP合成酶并解析了其结构。冲洗后的7个结合位点里，只包含亚基c的5个位点的BDQ占有率（occupancy）大幅下降，而包含亚基a的2个位点占有率基本不变，这说明了BDQ的纳摩尔亲和力来自与亚基a和c的共同接触（下图,视频2）

有趣的是，当作者们用敲除亚基α钩子的M. smegmatis ATP合成酶测验BDQ的抑制效果时，在纳摩尔浓度可以抑制ATP合成酶水解ATP的BDQ，在微摩尔浓度反而失去了抑制效果。这与之前用倒膜小泡检测BDQ抑制ATP合成的实验结果相似【11】，意味着在微摩尔浓度，BDQ可以 “解耦（decouple）” ATP合成酶。现在已知纳摩尔浓度BDQ可以限制分枝杆菌的生长，而杀死分枝杆菌则需要BDQ浓度达到微摩尔级别，意味着BDQ在微摩尔浓度的解耦可能对它的杀菌效果十分重要【11,12】。遗憾的是，虽然作者们在解析结构时加入了200uM的BDQ，但他们还是未能观察到被BDQ解耦状态下的ATP合成酶。理解BDQ解耦ATP合成酶的谜团还需要更多实验的跟进。

多伦多大学Department of Medical Biophysics的博士生郭麾和Gautier Courbon为文章的共同第一作者。