近日，上?？萍即髮W(xué)免疫化學(xué)研究所李俊/清華大學(xué)饒子和等團(tuán)隊(duì)在《自然-通訊》（Nature Communications）在線(xiàn)發(fā)表了題為“Structure and mechanism of a mycobacterial isoniazid efflux pump MsRv1273c/72c with a degenerate nucleotide-binding site”的研究論文，在國(guó)際上率先發(fā)現(xiàn)并鑒定分枝桿菌異源二體型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體MsRv1273c/72c是一線(xiàn)抗結(jié)核藥物異煙肼的外排泵，且參與了病原體對(duì)該藥物的天然耐受，還揭示了一種由退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)和不對(duì)稱(chēng)構(gòu)象介導(dǎo)的底物轉(zhuǎn)運(yùn)新機(jī)制。這一研究不僅闡明了一種結(jié)核病耐藥的關(guān)鍵途徑，更重要的是為結(jié)核病治療提供了新的藥物靶標(biāo)，對(duì)開(kāi)發(fā)新型抗結(jié)核藥物和解決全球結(jié)核病耐藥性問(wèn)題具有重要科學(xué)意義和臨床研究?jī)r(jià)值。

結(jié)核病是當(dāng)今世界上嚴(yán)重威脅人類(lèi)生命健康的重大傳染性疾病，由病原體結(jié)核分枝桿菌感染引起。當(dāng)前抗結(jié)核治療手段非常有限，主要依靠異煙肼、利福平、乙胺丁醇、吡嗪酰胺等一線(xiàn)抗結(jié)核藥物聯(lián)合用藥進(jìn)行治療。但結(jié)核耐藥問(wèn)題始終無(wú)法克服，還面臨日益加重的嚴(yán)峻形勢(shì)，給結(jié)核病防治帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。除了藥物靶點(diǎn)突變引起耐藥以外，藥物外排泵（包括ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體）是導(dǎo)致耐藥的重要原因之一。然而，結(jié)核病藥物外排泵的發(fā)現(xiàn)多為間接證據(jù)，尤其缺少分子層面的直接證據(jù)。

研究人員針對(duì)結(jié)核分枝桿菌的ABC家族轉(zhuǎn)運(yùn)體Rv1273c/72c及其恥垢桿菌同源蛋白展開(kāi)了研究，證明MsRv1273c和MsRv1272c形成異源二體形式的完整轉(zhuǎn)運(yùn)體，并且含有一個(gè)退化型的ATP結(jié)合位點(diǎn)。接著，研究人員通過(guò)體外脂質(zhì)體轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)和質(zhì)譜分析首次從分子水平證明該轉(zhuǎn)運(yùn)體是一個(gè)異煙肼藥物外排泵并且具有濃度依賴(lài)關(guān)系，進(jìn)一步通過(guò)敲除回補(bǔ)和細(xì)菌生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)證明MsRv1273c/72c的存在確實(shí)降低了分枝桿菌對(duì)異煙肼的敏感性，導(dǎo)致了細(xì)菌對(duì)異煙肼耐藥。

研究人員利用冷凍電鏡解析了MsRv1273c/72c處于不同狀態(tài)下的一系列結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)該異源二體轉(zhuǎn)運(yùn)體存在不對(duì)稱(chēng)性，特別是在MsRv1272c中多出了額外的N端extending loop和胞外側(cè)helical hairpin結(jié)構(gòu)，可能用于幫助底物進(jìn)入跨膜區(qū)的中央空腔和從中央空腔釋放至周質(zhì)側(cè)。本研究首次捕獲到了三種不對(duì)稱(chēng)型構(gòu)象，這些構(gòu)象從未在其他類(lèi)似的異源二體ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體的研究工作被報(bào)道。結(jié)構(gòu)分析表明，其胞內(nèi)可溶區(qū)的核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域（NBD）均呈現(xiàn)部分二聚化，兩個(gè)NBD只在退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)處關(guān)閉，而在另一個(gè)正常的ATP結(jié)合位點(diǎn)處則不同程度打開(kāi)。由此，這些構(gòu)象代表了轉(zhuǎn)運(yùn)體處于兩個(gè)NBD打開(kāi)（中央空腔向內(nèi)開(kāi)口狀態(tài)）和完全關(guān)閉（中央空腔內(nèi)外同時(shí)閉合或者向外開(kāi)口狀態(tài)）之間的中間狀態(tài)。這些中間態(tài)是狀態(tài)轉(zhuǎn)換所必須的，其中，MsRv1272c的NBD中的D-WalkerB loop和X-signature loop通過(guò)構(gòu)象變化可影響ATP在兩個(gè)核苷酸結(jié)合位點(diǎn)的結(jié)合。該轉(zhuǎn)運(yùn)體通過(guò)NBD在退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)的部分二聚化，來(lái)調(diào)控和協(xié)調(diào)兩個(gè)ATP結(jié)合位點(diǎn)的功能活性，進(jìn)而介導(dǎo)了整個(gè)底物轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。

綜上，本研究揭示了MsRv1273c/72c的由退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)和不對(duì)稱(chēng)構(gòu)象介導(dǎo)的一種底物轉(zhuǎn)運(yùn)新機(jī)制，這與同源二體型ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體（含有兩個(gè)正常活性的ATP結(jié)合位點(diǎn)）顯著不同，為深入理解其他含有退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)的異源二體ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體（比如，半數(shù)的人源異源二體ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體都含有退化型ATP結(jié)合位點(diǎn)）提供了重要參考和啟示，增加了對(duì)ABC轉(zhuǎn)運(yùn)體家族結(jié)構(gòu)和機(jī)制多樣性的認(rèn)識(shí)。

Rv1273c/72c有望成為一個(gè)有價(jià)值的藥物新靶點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)靶向抑制劑并與異煙肼的聯(lián)合使用來(lái)提高異煙肼的治療效果，從而降低異煙肼耐藥的發(fā)生率。MsRv1273c/72c作為一個(gè)新發(fā)現(xiàn)的異煙肼藥物外排泵，為研究和解決異煙肼耐藥問(wèn)題提供了新的思路。

上?？萍即髮W(xué)博士畢業(yè)生于菁和博士生蘭宇輝為本文共同第一作者，上?？萍即髮W(xué)為第一完成單位。

圖注：分枝桿菌MsRv1273c/72c的三種不對(duì)稱(chēng)中間態(tài)結(jié)構(gòu)（左）、異煙肼轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)驗(yàn)（中上），敲除/回補(bǔ)-生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)（右上），和底物轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制圖（右下）

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59300-5