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结核病（Tuberculosis, TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）引起的传染性疾病。2021年10月14日，世界卫生组织（WHO）发布了《2021年全球结核病报告》。据WHO估算，全球结核潜伏感染人群接近20亿。2020年，全球新发结核病患者987万，我国结核病新发患者数为84.2万（2019年83.3万）。为了实现对结核病的控制，人们迫切需要新的抗结核药物，尤其是可以针对耐多药和极端耐药菌株及可以缩短治疗时间的药物。结核分枝杆菌的氧化磷酸化（OXPHOS）系统是结核分枝杆菌生长和生存所必需的，由此被认为是研发新型抗结核药物的重要靶点。靶向该系统的药物可以为严重威胁人类健康的药物敏感性和耐药性结核病带来新的治疗方案。
2021年11月26日，南开大学生命科学学院贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学免疫化学研究所高岩副研究员等多个课题组在eLife发表题为 Structure of Mycobacterium tuberculosis cytochrome bcc in complex with Q203 and TB47, two anti-TB drug candidates 的研究论文【1】。
目前备受关注的且已完成临床II期试验并取得积极结果的新型抗结核候选药物Q203（Telacebec）和处于临床前期试验的TB47正是通过抑制结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的功能而达到杀菌目的。然而，关于它们发挥特异性抑制功能的分子机理尚不清晰。研究团队利用单颗粒冷冻电镜技术（single-particle cryo-electron microscopy）解析了结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物天然状态以及分别与已完成临床Ⅱ期试验的Q203和处于临床前期试验的TB47两种抗结核候选小分子药物结合状态的三种高分辨率结构，并借助分子动力学等技术首次阐明了Q203和TB47发挥特异性杀菌功能的分子机理，为进一步优化上述候选药物及开发更为有效的抗结核新药都将起到巨大的推动作用。
Q203和TB47靶向结核分枝杆菌细胞色素bcc复合物的作用机制
研究发现，Q203和TB47是通过结合在结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的天然底物醌的氧化位点，进而阻止可提供电子的底物醌的结合，抑制了电子传递正常的传递，阻碍了能量流通货币三磷酸腺苷（ATP）的合成，从而达到了“饿死”结核菌的功效。值得一提的是，基于功能分析、结构分析及分子动力学模拟提示因形成氢键对稳定结合Q203和TB47起到关键作用的氨基酸残基313Thr和314Glu（二者是QcrB亚基的氨基酸残基）在致病性分枝杆菌中是高度保守的。因此，本研究成果也将有利于指导Q203和TB47用于其他致病性分枝杆菌临床治疗中的应用以及新型抑制剂的开发。此外，Q203和TB47对引起人类布鲁里溃疡疾病的溃疡分枝杆菌有良好杀菌效果的研究报道也进一步印证了本研究成果。
虽然Q203和TB47是通过靶向抑制结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物的功能而达到杀菌目的。然而，作为结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bcc复合物路径的补偿通路，细胞色素bd复合物在细胞色素bcc复合物被候选药物Q203和TB47靶向抑制的情况下，可以通过补偿能量代谢进而降低这些抑制剂的杀菌效果。因此，开发靶向结核分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物的抑制剂显得尤为迫切。
2021年 7月30 日，南开大学生命科学学院贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学免疫化学研究所王权研究员等多个课题组在Nature Communications在线发表题为 Cryo-EM structure of mycobacterial cytochrome bd reveals two oxygen access channels 的研究论文【2】。团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了耻垢分枝杆菌细胞色素bd复合物的高分辨率（2.8 Å）的结构，结合生物实验及相关已知结构功能数据，鉴定出两个潜在的氧气运输通道，由此提出了一种新的醌氧化与氧还原相偶联的催化机制。
研究结果显示，分枝杆菌细胞色素bd复合物仅由CydA和CydB两个亚基组成，并采取近二次对称轴的排布方式。结构以及序列比对发现分枝杆菌细胞色素bd的醌底物结合区域Q-loop具有物种特异性，提示其可作为原核生物细胞色素bd进化分析的标志物。研究表明，分枝杆菌细胞色素bd复合物在低氧环境中表达，且具有较高的氧亲和力。本研究通过生化实验并结合前人的结构功能数据，提出分枝杆菌细胞色素bd复合物存在双氧气运输通道，由此阐释了结核菌具有更强耐低氧能力的分子机制。这些发现进一步丰富了我们对于原核生物细胞色素bd复合物的结构功能的认知，更为后续针对该靶点的抗结核药物设计奠定了基础。
分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物发挥功能的分子机制
eLife第一作者为南开大学药学院博士研究生周珊和上海科技大学生命科学学院博士研究生王伟伟。南开大学贡红日副教授、饶子和院士和上海科技大学高岩副研究员为共同通讯作者。南开大学为第一完成单位。
上海科技大学生命科学学院博士研究生王伟伟和免疫化学研究所高岩副研究员为Nat Commun研究论文的共同第一作者。南开大学贡红日副教授、饶子和院士及上海科技大学王权研究员为共同通讯作者。
值得一提的是，饶子和团队长期以来一直关注结核病重要靶点的结构和功能研究。近年来在培养一批优秀青年人才的同时，在这一基础性领域内不断取得重要成果。这些成果对结核杆菌生存致病机理、抗结核药物杀菌抑菌机理、结核杆菌耐药机理等进行了深刻的阐述，为结核新药的研发提供了重要的数据基础，为抗结核新药的研发提供了巨大的推动力。除了以上两项论文成果，团队其他重要成果如下：
2018年11月
贡红日/李俊/许傲为第一作者，饶子和/王权/孙飞为通讯作者解析了临床药物Q203靶点——呼吸链超级复合体CIII2CIV2SOD2的冷冻电镜结构，揭示了生命体内一种新的醌氧化与氧还原相偶联的电子传递机制。首次以结构生物学的视角，证实了超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）在分枝杆菌细胞周质内与呼吸链复合物间存在直接相互作用，并具有清除潜在自由基、协同氧化还原反应的作用。论文成果以研究长文的形式在线发表于国际顶级学术期刊Science上【3】。
2019年1月
张兵/李俊第一作者，饶子和/杨海涛/李俊为通讯作者报道了分枝杆菌MmpL3三维结构以及与四种抗结核候选药物的复合物晶体结构，其中包括SQ109（在2b-3期临床试验中）。MmpL3由周质区结构域、12次跨膜螺旋结构域以及柔性的胞内结构域组成。位于跨膜区中心的两个Asp-Tyr对推测是产生质子驱动力的关键促进因子，SQ109，AU1235，ICA38和利莫那班（Rimonabant）在跨膜区内结合并破坏了这些Asp-Tyr对。该结构数据将极大地推动靶向MmpL3的新型抗TB药物的开发。论文成果发表在国际顶级学术期刊Cell上【4】。
2019年8月
饶子和团队李俊为通讯作者在Nature Communications报道了耻垢分枝杆菌IniA蛋白的apo状态和GTP结合状态复合物的三维空间结构。首次发现IniA 蛋白折叠属于dynamin超家族中的细菌动力蛋白家族。这项工作清楚地阐明了细菌动力蛋白具有膜分裂而不是膜融合的能力。IniA可能通过膜分裂的方式参与了膜损伤的修复，从而维持了细胞膜的完整性，增加了病原菌在药物压力下的存活能力。这些发现首次揭开了IniA 蛋白的神秘面纱，为解决结核病耐药性问题提供了新的线索【5】。
2020年4月
张璐/赵耀为第一作者，饶子和/李俊/王权为通讯作者解析了一线药物乙胺丁醇的靶点——EmbA-EmbB和EmbC-EmbC两种复合物的三维结构，揭示了乙胺丁醇结合于EmbB和EmbC的活性口袋，其结合位点分别占据了催化氨基酸Asp两侧的底物结合位置（D-site 和A0-site），从而同时阻断了阿拉伯糖供体和受体的结合，最终抑制细胞壁AG和LAM的合成的精确分子机制。论文成果以研究长文的形式发表于国际顶级学术期刊Science上【6】。
2020年6月
陈晓博为第一作者，饶子和团队刘祥为通讯作者在PNAS（美国科学院院刊）报道了结核分枝杆菌FadE5蛋白的三维空间结构以及FadE5与多种不同底物的复合物的结构。研究发现与以往鉴定的对底物具有严格的选择特异性的同源蛋白不同，FadE5蛋白对底物具有广泛的选择性。该项工作探究了FadE5蛋白对底物具有广泛选择性的结构基础，并且进一步加深了人们对结核分枝杆菌脂肪酸代谢途径的认识【7】。
2020年8月
高岩为第一作者，饶子和/王权/贡红日为共同通讯作者发表 Nature Communications 论文，确定了耻垢分枝杆菌SDH-2三聚体的2.8Å 冷冻电镜结构，为三聚体形式的呼吸链复合物II的生理意义提供了结构见解。研究还鉴定出 SdhF膜锚定亚基，揭示了协同催化活性的结构基础。此外，该研究为基于结构的抗结核药物发现奠定了重要的理论指导【8】。
2020年10月
刘凤江为第一作者，饶子和/张兵为共同通讯作者在Science Advances上报道了耻垢分枝杆菌中特异性转运海藻糖的ABC importer LpqY-SugABC在前静息状态、静息状态、前移位状态和催化中间态共四个功能状态的高分辨率三维空间结构。该研究不仅揭示了分枝杆菌摄取重要营养物质海藻糖精确的分子机制，更为重要的是，提供了高精度的LpqY-SugABC的原子坐标，将为后续海藻糖类抗结核药物的设计奠定重要的结构基础【9】。
2021年4月
贡红日/饶子和/王权为共同通讯作者在PNAS（美国科学院院刊）报道了耻垢分枝杆菌呼吸链复合物SDH-1天然状态及与底物结合状态的两种高分辨率的结构，发现新型的参与电子传递的辅因子，是分枝杆菌呼吸链领域的重要的系统性的研究成果，为抗结核病的药物开发提供了结构基础【10】。
2021年4月
饶子和团队贡红日/王权为共同通讯作者在PNAS（美国科学院院刊）报道了一种天然提取的、装载DyP蛋白的分枝杆菌蛋白纳米隔室高分辨率三维结构，揭示了纳米隔室系统清除过氧化氢保护细胞免受氧化损伤的分子机制，为抗结核病的药物开发提供了结构基础【11】。
饶子和院士团队通过多年努力攻克了结核病关键药靶领域已知几个重要的战略高地。由年轻的团队成员组建的抗结核结构研究中心将凝聚力量，深入研究，在结核病基础研究上不断发力，开展系统性、体系化、高水平的研究。饶子和院士表示，以一批年轻科学家挂帅的数只联合攻关研究团队将继续在这个领域耕耘，全力推动抗结核新药的研发，加快基础研究成果的转化。
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