上海科技大学张兵/饶子和团队《自然·通讯》：揭示结核分枝杆菌关键外排转运复合体结构

结核病（Tuberculosis, TB）是由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）感染引起的慢性传染病，严重危害人类健康。根据世界卫生组织（WHO）的最新报告，结核病现已成为全球头号传染病杀手，其死亡人数已超过新冠肺炎。耐药结核病的高发是当前全球公共卫生领域的重大挑战。贝达喹啉（BDQ）是近40年来首个获得FDA批准的抗结核新药，在临床应用中已出现严重耐药问题，主要归因于外排泵MmpL5/MmpS5的作用。此外，MmpL5/MmpS5还与另一耐多药结核病治疗药物氯法齐明（CFZ）的耐药性密切相关。同时，MmpL5/MmpS5系统与MmpL4/MmpS4系统一起介导结核分枝杆菌的铁载体外排，参与病原体关键营养素铁的摄取，这一过程对于结核分枝杆菌在宿主中的存活与致病性至关重要。然而，MmpL5/MmpS5系统外排药物及铁载体的具体机制仍不明确。

近日，上海科技大学免疫化学研究所张兵/清华大学饶子和团队在国际学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）在线发表了题为“Structure and assembly of the MmpL5/MmpS5 efflux transporter from Mycobacterium tuberculosis”的研究论文。该研究利用冷冻电镜技术首次解析了结核分枝杆菌外排转运复合体MmpL5/MmpS5的高分辨率三维结构，揭示了其独特的生物组装模式及潜在的药物外排机制，为精准靶向该系统开发新型抗结核治疗策略提供了坚实的结构基础和重要的理论依据。

研究发现MmpL5/MmpS5复合体以三聚体形式存在，其中三个MmpL5亚基通过新颖的肩对肩环形组装构成整个复合体的核心，而每个MmpS5亚基嵌入于相邻的两个MmpL5亚基之间。该复合体结构的一个显著特征是位于周质空间中由MmpL5的三股反向平行的卷曲螺旋（coiled-coil）缠绕形成的“茎（stalk）”，长度约为130 Å。这一“茎”结构对于维持复合体的三聚体组装和功能发挥至关重要，并且展示出固有的结构灵活性。此外，研究还发现MmpS5的单次跨膜螺旋通过与MmpL5的跨膜螺旋相互作用，显著增强了整个复合体的稳定性。

结核分枝杆菌MmpL5-MmpS5-AcpM复合物三维结构

值得注意的是，研究团队还意外发现并鉴定了一个与MmpL5相互作用的新亚基——酰基载脂蛋白AcpM。AcpM通过与MmpL5的细胞质界面接触，构成了整个复合物的底座。有趣的是，AcpM的结构与分枝杆菌铁载体生物合成途径中的酰基载脂蛋白MbtL高度相似，且其与MmpL5的结合位点在两种铁载体转运系统MmpL5/MmpS5和MmpL4/MmpS4中也相对保守。因此，这一发现暗示MbtL可能直接参与铁载体外排系统的功能，为分枝杆菌中铁载体的生物合成和转运的偶联机制提供了重要线索，但仍需进一步研究加以验证。

综上所述，本研究首次解析了MmpL5/MmpS5外排转运复合体的结构，这不仅为深入理解这一关键外排转运蛋白的功能奠定了坚实的结构基础，也为破解结核耐药机制以及开发新型抗结核药物提供了新的理论依据。此外，该研究还为分枝杆菌中其他MmpL蛋白及其附属蛋白MmpS的生物组装提供了范例。该研究工作是饶子和/张兵团队持续在结核分枝杆菌MmpL家族转运蛋白领域探索取得的又一重要突破。此前，该团队于2019年在《细胞》（Cell）杂志发表了耻垢分枝杆菌MmpL3的研究成果（DOI：10.1016/j.cell.2019.01.003）。

上海科技大学免疫化学研究所博士后熊之琦为该论文的第一作者，免疫化学研究所张兵副研究员和清华大学饶子和教授为共同通讯作者，上海科技大学为该研究的第一完成单位。

原文链接：

http://10.1016/j.cell.2019.01.003