世界衛生組織發佈的2019年全球結核病報告指出：2018年全球有17億結核病潛伏感染者，約為全人口的1/4；全球結核病疫情下降緩慢，2018年估算全球新發1000萬例結核病患者；結核病是單一傳染病中的頭號殺手，排全球死因順位第十，145.1萬人因該病死亡。中國是全球30個結核病高負擔國家之一，估算我國2018年新發結核病患者86.6萬例，僅次於印度居全球第二位，患者數佔全球的8.7%。目前，治療結核病的一線藥物均為上世紀40-60年代開發，使用已長達半個多世紀。耐藥性問題隨之產生並且日趨嚴重，甚至無藥醫治，給結核病防治和公共衛生安全帶來了前所未有的壓力。因此，針對抗結核藥物靶點的研究以及新藥的研發迫在眉睫。
4月24日凌晨，國際頂尖學術期刊《Science》以研究長文（Research Article）形式，在線發表上海科技大學免疫化學研究所饒子和院士研究團隊與合作者的題為“Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol”的研究論文。該項工作在國際上首次成功解析了分枝桿菌關鍵的阿拉伯糖基轉移酶複合體EmbA-EmbB和EmbC-EmbC的“藥靶-藥物”三維結構，首次揭示了一線抗結核藥物乙胺丁醇作用於該靶點的精確分子機制，為解決結核病耐藥問題，研發新型抗結核藥物奠定了重要基礎。
結核分枝桿菌——引起結核的“罪魁禍首”
結核病是一種結核桿菌侵入人體後引起的一種具有強烈傳染性的慢性消耗性疾病。由一種叫結核分枝桿菌的細菌引起。在世界上，有三分之一到四分之一的人感染過這個細菌（WHO 世界衛生組織2018年2月的數據）。它不受年齡、性別、種族、職業、地區的影響，人體許多器官、系統均可患結核病，其中以肺結核最為常見。
肺結核的傳染90%以上是通過呼吸道傳染的，肺結核病人通過咳嗽、打噴嚏、高聲喧譁、使帶有結核菌飛沫（醫學上稱微滴核）噴出體外，健康人吸入後而被感染。
現代醫學認為，結核桿菌侵入人體後是否發病，不僅取決於細菌的量和毒力，更主要取決於人體對結核桿菌的抵抗力（免疫力）。
但即使人們感染了這個細菌，他們並不一定會出現症狀或者生病。絕大多數人（90-95％）甚至沒有意識到他們感染了細菌。這是因為我們的免疫系統十分強大。我們身體裡面的免疫細胞可以將細菌包裹住，讓它們不能繁殖，因此細菌在我們體內一直是休眠的狀態。結核菌可以在我們體內休眠幾個月甚至數十年。但是一旦當我們的免疫力變差了，我們的免疫細胞不能困住這些細菌了，這些細菌就會在我們體內繁殖，我們就會生病，也會傳播給其他人。這個細菌主要感染我們的肺部，造成肺結核。
結核分枝桿菌的細胞壁極為特殊，主要成分包括分枝菌酸（MA）、阿拉伯半乳聚糖（AG）、肽聚糖（PG）和脂阿拉伯聚糖（LAM）等，對結核菌起到天然保護作用。抑制細胞壁成分的合成被認為是合理的抗結核新藥研發思路。當前使用的一線抗結核藥物異煙肼、乙胺丁醇等均是通過抑制細胞壁合成發揮作用的。研究表明，乙胺丁醇靶向參與AG和LAM合成的阿拉伯糖基轉移酶EmbA，EmbB和EmbC。但是自該藥物問世以來，其分子機制一直未被解開，也就無法對乙胺丁醇這一“傳統老藥”進行更新換代，以解決其日益嚴重的耐藥性問題。
世紀難題——抗結核藥物精確作用機制
治療結核病的一線藥物均為上世紀40-60年代開發，使用已長達半個多世紀。隨之而來的就是耐藥性問題日趨嚴重。
饒子和院士團隊長期以來致力於針對結核病重要靶點的研究及新藥開發。研究團隊利用X射線晶體學技術和冷凍電鏡三維重構技術，成功解析了EmbA-EmbB，EmbC-EmbC分別與底物（Ara2，DPA）和藥物乙胺丁醇（EMB）複合物的結構，破解了困擾研究人員長達半個多世紀的抗結核藥物機制難題。
（A）結核分枝桿菌（Mtb）和恥垢分枝桿菌（Msm）EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2與底物（Ara2，DPA）和藥物（EMB）複合物結構；（B）以MtbEmbB為代表展示Emb蛋白結構特徵；（C）Emb蛋白拓撲結構示意圖
結構研究表明，EmbA和EmbB以異源二體形式，而EmbC則以同源二體形式發揮生理功能。一個令人意外的發現是，參與細胞壁MA合成的AcpM蛋白結合於每個Emb蛋白的胞內側，分別形成EmbA-EmbB-AcpM2和EmbC2-AcpM2複合體。每個Emb蛋白結構均可劃分為一個15次跨膜結構域和兩個含有jelly-roll摺疊形式的胞外結構域，活性口袋則位於跨膜結構域和胞外結構域之間。研究分析了阿拉伯糖供體（DPA）和二糖（Ara2）在活性位點的精確結合方式。進一步研究發現，乙胺丁醇同樣結合於EmbB和EmbC的活性口袋，其結合位點分別佔據了催化氨基酸Asp兩側的底物結合位置（D-site和A0-site），從而同時阻斷了阿拉伯糖供體和受體的結合，最終抑制了細胞壁AG和LAM的合成。通過分析乙胺丁醇臨床耐藥突變位點，團隊成員發現大部分位點均位於EmbB和EmbC的藥物結合位置附近。相關位點氨基酸的突變可直接或者間接影響到乙胺丁醇的結合。因此，對於解決耐藥性問題，需要在新藥設計時考慮到避免這些位點的空間影響。以上研究成果將為乙胺丁醇的優化和靶向Emb蛋白的新藥開發奠定堅實的結構理論基礎。
（A）乙胺丁醇在靶點蛋白活性位點的結合方式；（B）乙胺丁醇結合位點的相互作用示意圖；（C）結構疊合顯示乙胺丁醇佔據底物阿拉伯糖的結合位點（D-site和A0-site）；（D）結構疊合顯示乙胺丁醇佔據供體DPA的阿拉伯糖結合位點(D-site)；（E）對應於(D)的局部放大圖
全力推動新藥研發 加快成果轉化
據上海科技大學介紹，該研究團隊通過全面合作，全力推動抗結核新藥的研發，加快基礎研究成果的轉化。
免疫化學研究所饒子和課題組成員合影（從左到右：李俊、趙耀、饒子和、張璐、王權）
總之，該項工作在國際上首次成功解析了分枝桿菌關鍵的阿拉伯糖基轉移酶複合體EmbA-EmbB和EmbC-EmbC的“藥靶-藥物”三維結構，揭示了一線抗結核藥物乙胺丁醇作用於該靶點的精確分子機制，為解決結核病耐藥問題，研發新型抗結核藥物奠定了重要基礎。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102
部分內容來源於上海科技大學
