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                Science? | 饶子和团队破解世纪谜题,发现抗结核老『药的抑菌结构基础,有望惠及新药研发

                发布日期:2020-06-21

                来源于:丁香学术,作者DTT

                结核病是由结核杆菌感染引起的慢∮性传染病,是一个非常古老而迄今依然威胁人类健︽康的重要疾病和重大公共卫生问题,是全球前十位死因之一。

                据世界卫生组织统计》,2018 年,在中国有 86.6 万人患上肺结核,3.7 万人死于结核病(这两个数字为中国新冠←肺炎确诊人数和死亡人▅数的 10 倍)。其中多达 66000 位对第一线治疗药物产生耐药性,占全球耐多药 / 耐利福平结核病病例的 13.6%。形势迫在眉睫。



                耐药性(drug resistance)又称〒抗药性。是一种药物(如抗菌素或抗肿瘤药)在治疗疾病或状况时有效性的降低。这个词是在病原体或癌症已卐经「获得」耐药性的情况下使用的,也就是说,病原体或者癌症细胞已经进化。



                目前针对结核〓病,临床上的一线抗结核化疗药物为乙胺丁醇(EMB)、异烟肼(INH)、利福平(RFP)和吡嗪酰胺(PZA)。这些药物均为上世纪 40-60 年代开发,使用已经长达∏半个多世纪,对于这些长期使用的老药,随之产Ψ 生的是日趋严重的耐药性,对于耐多药结核病患者已经无药医治。

                因此,针对结核病的耐药性问题的解决以及新药的研发刻不容缓。

                据报道,抑制结↓核分枝杆菌细胞壁成分的合成被认为是有效的抗结核新药研发的思路。一线抗结核药物乙胺丁醇(EMB)靶向参与阿拉伯半乳糖(AG)和脂阿拉伯聚糖(LAM)合成的阿拉伯糖基转移酶 EmbA,EmbB 和 EmbC。虽然 EMB 一直在临床上被广泛应用了半个多世纪之久,但是其分子机制仍然是未知的。

                2020 年 4 月 24 日,上海科技大学免疫化学研究所饶子和院士团队◇与合作者在 Science 上发表了题为:Structures of cell wall arabinosyltransferases with the anti-tuberculosis drug ethambutol  的研究论文。

                该研究利用 X-ray 晶体学〖技术和 Cryo-EM 冷冻电镜技术,首次解析了分歧杆菌关键的阿拉伯转移酶与分别与底物阿拉伯糖◤供体和二糖(Ara2,DPA)和乙□ 胺丁醇(EMB)复合物结构,揭示了一线乙胺丁醇(EMB)老□ 药作用于该靶点的分子机制,为解决结核病的耐药问题及新药物的研发提供了重①要依据。



                EmbA-EmbB 和 EmbC-EmbC

                分别与底物和药物结合的结构

                从整体结构来看,EmbA 和 EmbB 以异源二体形式,而 EmbC 以同源二体♀形式发挥生理功能(如图 E 所示)。参与细胞壁分枝菌酸(MA)合成的酰基载体蛋白(AcpM)结合『于每个 Emb 蛋白的胞内侧,分别形成两种复合↙体(如图 E 所示)。EmbA,EmbB 和 EmbC 蛋白结构有着相似的折叠和共同结构特征,比如都有 15 次跨膜结构域,以及 N 端和 C 端的 periplasmic domains (PDs),被称为 PN 和 PC。周质环 2 (PL2)包含两个交叉螺旋(EH1 和 EH2),并含有高度保守的与催化相¤关的 DDX 序列,此活性中心位于胞外结构域和跨膜结构域之间(如图 F 和 G 所示)。



                乙胺丁醇(EMB)、阿拉伯糖供体(DPA)和

                二糖(Ara2)在活性位点结合模式

                具体结构研究表明,EMB 与 EmbB 和 EmbC 的结合位点(如图 C 和 D 所示),为了ω进一步确定 EMB 的作用机理,研究①者通过结构比对,得到了 EMB 与阿拉伯糖供体(DPA)和二糖(Ara2)的结构叠合模式(如图 E 和 F 所示)。通过结构对比我们发现,EMB 占据了催化氨基酸 Asp 两侧的二糖(Ara2)结合位置(D-site 和 A0-site)(图 E),且占据了阿拉伯糖供体(DPA)结合位点(D-site)。

                这样的结构表明,乙胺丁醇(EMB)同时阻断了阿拉伯糖供体和受体的结合,最终抑制了细胞壁 AG 和 LAM 的合成。

                通过分析乙胺丁醇临床耐药突变位点,作者发现大部分位『点均位于 EmbB 和 EmbC 的药物结合位置附近。这些突变可能会影响到 EMB 的结合,因此在设计新药的时候要避免这些突变氨基█酸的影响。



                该研究从分子水平揭示了乙胺丁醇如何通过与 EmbB 和 EmbC 底物结合在同一位点抑制阿拉伯糖基转移酶的抑菌机制。并发现大多数耐药突变位ㄨ于乙胺丁醇结合位点附近。总之,此研究为理解阿拉伯糖基转移酶的生化功能和「传统老药」的抑菌机制以及抗结核新药的开发提供了重要结构基础。

                编者点评

                传统的药物设计通常从类药数据库通过高通量筛选的方法预先确定靶标蛋白,找到先导化合物,而最有效的药物分子是通过对小分子进行特定的化学优化实现的,也就是基于结构的药物设计(Structure-Based Drug Design),通过 NMR,X-ray 或 Cyro-EM 确定目标蛋白的结构,基于结构设计优化药物分◤子,然后通过生化实验进一步验证小分子活性,直到得到最优小分子是基本的基于结构设计的基本策略。

                总之,基于结构的药物设计是从配体和▽靶点的三维结构出发,以分子识别为基础进行的药物设计。

                在新药物设计发现中,解析先导化合物和目的㊣蛋白的复合物结构是最关键最核心的一步。这也是这篇文章的重要性之处,从分子水平上揭示了传统老药乙胺丁醇与 EmbB 和 EmbC 的结合位点(具体作用的氨基酸),知道其具⊙体作用模式后才可以根据构效关系(Structure-Activity-Relationship)来有效设计合成新的抗结核病药物,解决耐药性这一难题。

                参考文献:

                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