結核病是由結核分枝桿菌引發的傳染性疾病，主要侵襲肺部，嚴重時可導致死亡，是全球關注的重大公共衛生問題之一。貝達喹啉（Bedaquiline, BDQ）是一種靶向結核分枝桿菌ATP合成酶的抑制劑，可高效抑制結核分枝桿菌的生長，是近半個世紀以來第一個上市的抗結核新藥，更被世界衛生組織列為耐利福平結核病和耐多藥結核病長程治療方案的首選藥物。
然而研究發現，BDQ由于與鉀離子通道蛋白hERG相互作用導致患者心臟發生心律失常的風險增加，且對人源ATP合成酶也存在潛在的交叉抑制活性。因此，揭示結核分枝桿菌ATP合成酶的工作機制和BDQ的作用機理及其抑制人源ATP合成酶活性的分子機制，將有效助力新型結核分枝桿菌ATP合成酶抑制劑的開發。
7月3日，上?？萍即髮W免疫化學研究所特聘教授饒子和院士、高巖副研究員聯合南開大學生命科學學院貢紅日教授、廣州國家實驗室劉鳳江副研究員在《自然》（Nature）發表了題為“Inhibition of M. tuberculosis and human ATP synthase by BDQ and TBAJ-587”的研究論文，闡釋了貝達喹啉及其衍生物TBAJ-587抑制結核分枝桿菌ATP合成酶的分子機理，揭示了它們與人源ATP合成酶間的交叉反應機制，對于開發新一代高選擇性的抗結核藥物具重要指導意義。
研究利用“基因敲入-基因敲除-基因過表達”策略，結合親和層析及凝膠過濾層析蛋白純化方法，最終借助恥垢分枝桿菌獲得了均一穩定有活性的結核分枝桿菌ATP合成酶蛋白樣品。而后借助單顆粒冷凍電鏡技術，成功解析了BDQ結合狀態下的結核分枝桿菌ATP合成酶的高分辨率冷凍電鏡結構（如圖1所示）。本研究發現，BDQ主要通過喹啉基團（A基團）和二甲氨基基團（D基團）與結核分枝桿菌ATP合成酶強烈地相互作用并結合到跨膜區域的多個位點，阻止了ATP合成酶跨膜區域c環的旋轉，進而阻斷了質子的運輸，最終阻止了ATP的合成，達到“餓死”結核分枝桿菌的目的。
圖1 結核分枝桿菌ATP合成酶結合BDQ的冷凍電鏡結構
BDQ衍生物中最具代表性的是TBAJ-587和TBAJ-876，目前候選藥物均已進入臨床試驗。TBAJ-587結合狀態下的結核分枝桿菌ATP合成酶高分辨率冷凍電鏡結構的解析結果（圖2）顯示，TBAJ-587與結核分枝桿菌ATP合成酶的結合模式和BDQ的結合模式相同，且TBAJ-587與BDQ均主要通過A基團和D基團與結核分枝桿菌ATP合成酶發生相互作用。
圖2 結核分枝桿菌ATP合成酶結合TBAJ-587的冷凍電鏡結構
研究還分析發現了BDQ和TBAJ-587均對人源ATP合成酶存在交叉反應。人源ATP合成酶結合BDQ的冷凍電鏡結構（圖3）解析結果顯示，基于BDQ中B基團和C基團再設計產生的TBAJ-587只是降低了與hERG蛋白相互作用引發心律失常的風險，A基團再設計優化才有可能降低與人源ATP合成酶的相互作用，規避臨床治療中帶來的潛在健康風險。
圖3 人源ATP合成酶結合BDQ的冷凍電鏡結構
南開大學生命科學學院貢紅日教授、上?？萍即髮W免疫化學研究所特聘教授饒子和院士、廣州實驗室劉鳳江副研究員、上?？萍即髮W免疫化學研究所高巖副研究員為本文共同通訊作者。
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https://www.nature.com/articles/s41586-024-07605-8
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