來源于：丁香學(xué)術(shù)，作者DTT

結(jié)核病是由結(jié)核桿菌感染引起的慢性傳染病，是一個非常古老而迄今依然威脅人類健康的重要疾病和重大公共衛(wèi)生問題，是全球前十位死因之一。

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，2018 年，在中國有 86.6 萬人患上肺結(jié)核，3.7 萬人死于結(jié)核病（這兩個數(shù)字為中國新冠肺炎確診人數(shù)和死亡人數(shù)的 10 倍）。其中多達(dá) 66000 位對第一線治療藥物產(chǎn)生耐藥性，占全球耐多藥 / 耐利福平結(jié)核病病例的 13.6%。形勢迫在眉睫。

耐藥性（drug resistance）又稱抗藥性。是一種藥物（如抗菌素或抗腫瘤藥）在治療疾病或狀況時有效性的降低。這個詞是在病原體或癌癥已經(jīng)「獲得」耐藥性的情況下使用的，也就是說，病原體或者癌癥細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化。

目前針對結(jié)核病，臨床上的一線抗結(jié)核化療藥物為乙胺丁醇（EMB）、異煙肼（INH）、利福平（RFP）和吡嗪酰胺（PZA）。這些藥物均為上世紀(jì) 40-60 年代開發(fā)，使用已經(jīng)長達(dá)半個多世紀(jì)，對于這些長期使用的老藥，隨之產(chǎn)生的是日趨嚴(yán)重的耐藥性，對于耐多藥結(jié)核病患者已經(jīng)無藥醫(yī)治。

因此，針對結(jié)核病的耐藥性問題的解決以及新藥的研發(fā)刻不容緩。

據(jù)報道，抑制結(jié)核分枝桿菌細(xì)胞壁成分的合成被認(rèn)為是有效的抗結(jié)核新藥研發(fā)的思路。一線抗結(jié)核藥物乙胺丁醇（EMB）靶向參與阿拉伯半乳糖（AG）和脂阿拉伯聚糖（LAM）合成的阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶 EmbA，EmbB 和 EmbC。雖然 EMB 一直在臨床上被廣泛應(yīng)用了半個多世紀(jì)之久，但是其分子機(jī)制仍然是未知的。

2020 年 4 月 24 日，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所饒子和院士團(tuán)隊與合作者在 Science 上發(fā)表了題為：Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol  的研究論文。

該研究利用 X-ray 晶體學(xué)技術(shù)和 Cryo-EM 冷凍電鏡技術(shù)，首次解析了分歧桿菌關(guān)鍵的阿拉伯轉(zhuǎn)移酶與分別與底物阿拉伯糖供體和二糖（Ara2，DPA）和乙胺丁醇（EMB）復(fù)合物結(jié)構(gòu)，揭示了一線乙胺丁醇（EMB）老藥作用于該靶點的分子機(jī)制，為解決結(jié)核病的耐藥問題及新藥物的研發(fā)提供了重要依據(jù)。

EmbA-EmbB 和 EmbC-EmbC

分別與底物和藥物結(jié)合的結(jié)構(gòu)

從整體結(jié)構(gòu)來看，EmbA 和 EmbB 以異源二體形式，而 EmbC 以同源二體形式發(fā)揮生理功能（如圖 E 所示）。參與細(xì)胞壁分枝菌酸（MA）合成的酰基載體蛋白（AcpM）結(jié)合于每個 Emb 蛋白的胞內(nèi)側(cè)，分別形成兩種復(fù)合體（如圖 E 所示）。EmbA，EmbB 和 EmbC 蛋白結(jié)構(gòu)有著相似的折疊和共同結(jié)構(gòu)特征，比如都有 15 次跨膜結(jié)構(gòu)域，以及 N 端和 C 端的 periplasmic domains （PDs），被稱為 PN 和 PC。周質(zhì)環(huán) 2 （PL2）包含兩個交叉螺旋（EH1 和 EH2），并含有高度保守的與催化相關(guān)的 DDX 序列，此活性中心位于胞外結(jié)構(gòu)域和跨膜結(jié)構(gòu)域之間（如圖 F 和 G 所示）。

乙胺丁醇（EMB）、阿拉伯糖供體（DPA）和

二糖（Ara2）在活性位點結(jié)合模式

具體結(jié)構(gòu)研究表明，EMB 與 EmbB 和 EmbC 的結(jié)合位點（如圖 C 和 D 所示），為了進(jìn)一步確定 EMB 的作用機(jī)理，研究者通過結(jié)構(gòu)比對，得到了 EMB 與阿拉伯糖供體（DPA）和二糖（Ara2）的結(jié)構(gòu)疊合模式（如圖 E 和 F 所示）。通過結(jié)構(gòu)對比我們發(fā)現(xiàn)，EMB 占據(jù)了催化氨基酸 Asp 兩側(cè)的二糖（Ara2）結(jié)合位置（D-site 和 A0-site）（圖 E），且占據(jù)了阿拉伯糖供體（DPA）結(jié)合位點（D-site）。

這樣的結(jié)構(gòu)表明，乙胺丁醇（EMB）同時阻斷了阿拉伯糖供體和受體的結(jié)合，最終抑制了細(xì)胞壁 AG 和 LAM 的合成。

通過分析乙胺丁醇臨床耐藥突變位點，作者發(fā)現(xiàn)大部分位點均位于 EmbB 和 EmbC 的藥物結(jié)合位置附近。這些突變可能會影響到 EMB 的結(jié)合，因此在設(shè)計新藥的時候要避免這些突變氨基酸的影響。

該研究從分子水平揭示了乙胺丁醇如何通過與 EmbB 和 EmbC 底物結(jié)合在同一位點抑制阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶的抑菌機(jī)制。并發(fā)現(xiàn)大多數(shù)耐藥突變位于乙胺丁醇結(jié)合位點附近。總之，此研究為理解阿拉伯糖基轉(zhuǎn)移酶的生化功能和「傳統(tǒng)老藥」的抑菌機(jī)制以及抗結(jié)核新藥的開發(fā)提供了重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

編者點評

傳統(tǒng)的藥物設(shè)計通常從類藥數(shù)據(jù)庫通過高通量篩選的方法預(yù)先確定靶標(biāo)蛋白，找到先導(dǎo)化合物，而最有效的藥物分子是通過對小分子進(jìn)行特定的化學(xué)優(yōu)化實現(xiàn)的，也就是基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計（Structure-Based Drug Design），通過 NMR，X-ray 或 Cyro-EM 確定目標(biāo)蛋白的結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化藥物分子，然后通過生化實驗進(jìn)一步驗證小分子活性，直到得到最優(yōu)小分子是基本的基于結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本策略。

總之，基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計是從配體和靶點的三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，以分子識別為基礎(chǔ)進(jìn)行的藥物設(shè)計。

在新藥物設(shè)計發(fā)現(xiàn)中，解析先導(dǎo)化合物和目的蛋白的復(fù)合物結(jié)構(gòu)是最關(guān)鍵最核心的一步。這也是這篇文章的重要性之處，從分子水平上揭示了傳統(tǒng)老藥乙胺丁醇與 EmbB 和 EmbC 的結(jié)合位點（具體作用的氨基酸），知道其具體作用模式后才可以根據(jù)構(gòu)效關(guān)系（Structure-Activity-Relationship）來有效設(shè)計合成新的抗結(jié)核病藥物，解決耐藥性這一難題。

參考文獻(xiàn)：

1. https://science.sciencemag.org/content/early/2020/04/22/science.aba9102/tab-pdf

2. https://science.sciencemag.org/content/362/6418/eaat8923

3. https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.003