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結核最早在人類身上發現是在約9000年前的地中海地區【1】。在東西方詩人和文學家們的描述中，結核常常被附加上浪漫的色彩。這種“浪漫的疾病”，即使在如今抗生素普及的年代，每年仍舊能造成約150萬人死亡 【2】，與在今年肆虐全球的新冠（COVID19，截至2020年12月10日死亡人數157萬【3】）相比也不遑多讓。不僅如此，結核對一線抗生素的耐藥性也在逐年上升【2】，讓研發新一代結核抗生素變得越發重要。2012-14年在全球多個地區被批准上市的bedaquiline（貝達喹啉，BDQ，Sirturo，TMC207，R207910）是繼利福黴素（rifamycins）在1966年用於臨床治療以來被批准的首個新型結核抗生素【4】。在批准後的幾年間，BDQ已經成為目前治療多藥耐藥和廣泛耐藥結核病（multidrug-resistant and extensively drug-resistant TB）最安全有效的藥物之一【5】。和之前的所有的結核抗生素不同，BDQ的靶點是結核桿菌ATP合成酶【6】。ATP合成酶是廣泛存在於細菌，葉綠體和線粒體中的大分子複合物，是細胞的能量貨幣——ATP的生產工廠。BDQ透過抑制ATP合成酶，限制結核桿菌ATP的合成，從而能夠殺死結核桿菌。
近日，加拿大Hospital for Sick Children的John Rubinstein團隊在Nature發表了文章Structure of mycobacterial ATP synthase bound to the tuberculosis drug bedaquiline。作者利用單顆粒冷凍電鏡技術解析了結核桿菌的近親分枝桿菌smegmatis（Mycobacterium smegmatis）ATP合成酶與BDQ結合的系列結構，解釋了BDQ如何以高親和力與分枝桿菌ATP合成酶結合，以及ATP合成酶如何透過自動抑制（autoinhibition）使得分枝桿菌得以在缺氧的環境下儲存能量，增加存活機率。
ATP合成酶的主要功能是利用電化學質子動力（proton motive force）合成ATP。但有趣的是，當質子動力消失時， ATP合成酶可以反過來水解ATP並消耗能量。結核桿菌是嚴格的需氧菌，卻能夠在缺氧的宿主體內以一種低消耗的休眠狀態（dormant state）存活多年，直到在合適的條件下才被啟用引發病變。因此對缺乏能量的結核桿菌來說，嚴格管控ATP合成酶的水解尤其重要【7】。透過觀察M. smegmatis ATP合成酶的結構，作者們發現亞基α的C末端有一段35個氨基酸左右的延申（下圖和影片1）。它像一個鉤子一樣鉤在ATP合成酶的轉子部分，讓它只能轉向合成ATP的方向，從而確保它的水解功能被限制到最低。作者們隨後敲除了ATP合成酶的鉤子部分，發現敲除鉤子後的ATP合成酶展現出了正常的ATP水解活性。
之前的實驗成功地證明了BDQ 的結合位點靠近ATP合成酶的亞基c【6,8】。令人不解的是，雖然BDQ能在納摩爾（nM）濃度抑制ATP合成酶合成ATP【8,9】，但它對亞基c的親和力只有微摩爾（µM）濃度【9,10】，說明BDQ與ATP合成酶的結合點可能不止包含亞基c【10】。結構顯示，BDQ的結合引起了ATP合成酶極大的構象變化。在分枝桿菌ATP合成酶的9個亞基c裡，7個可與BDQ結合。這其中5個位點只包含亞基c，而剩餘2個位點除了亞基c外還有亞基a的參與（下圖C, D），這極大的增加了這兩個位點中BDQ與ATP合成酶的範德華接觸面。
作者們猜想這兩個有亞基a參與的位點才是BDQ能在納摩爾濃度抑制ATP合成酶的原因。為了驗證這個假設，作者們用脫鹽離心柱（desalting column）沖洗了與過量BDQ結合的ATP合成酶並解析了其結構。沖洗後的7個結合位點裡，只包含亞基c的5個位點的BDQ佔有率（occupancy）大幅下降，而包含亞基a的2個位點佔有率基本不變，這說明了BDQ的納摩爾親和力來自與亞基a和c的共同接觸（下圖,影片2）
有趣的是，當作者們用敲除亞基α鉤子的M. smegmatis ATP合成酶測驗BDQ的抑制效果時，在納摩爾濃度可以抑制ATP合成酶水解ATP的BDQ，在微摩爾濃度反而失去了抑制效果。這與之前用倒膜小泡檢測BDQ抑制ATP合成的實驗結果相似【11】，意味著在微摩爾濃度，BDQ可以 “解耦（decouple）” ATP合成酶。現在已知納摩爾濃度BDQ可以限制分枝桿菌的生長，而殺死分枝桿菌則需要BDQ濃度達到微摩爾級別，意味著BDQ在微摩爾濃度的解耦可能對它的殺菌效果十分重要【11,12】。遺憾的是，雖然作者們在解析結構時加入了200uM的BDQ，但他們還是未能觀察到被BDQ解耦狀態下的ATP合成酶。理解BDQ解耦ATP合成酶的謎團還需要更多實驗的跟進。多倫多大學Department of Medical Biophysics的博士生郭麾和Gautier Courbon為文章的共同第一作者。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-020-3004-3延伸閱讀：Science | 抗生素亞細胞定位揭示抗結核菌機制；Science丨立足抗結核病藥物靶點開發，饒子和院士團隊歷時多年解析分歧桿菌呼吸體超複合物III2IV2SOD2原子解析度結構製版人：SY
參考文獻
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