2021年 4月6 日，我院饶子和院士、贡红日副教授联合上海科技大学免疫化学研究所“抗TB结构中心”等多个单位在国际知名期刊《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Science, PNAS）在线发表题为“Architecture of the mycobacterial succinate dehydrogenase with a membrane-embedded Rieske FeS cluster” 的研究论文。团队运用单颗粒冷冻电镜技术解析了耻垢分枝杆菌呼吸链复合物Sdh1（succinate dehydrogenase 1）天然状态及与底物结合状态的两种高分辨率的结构，为抗结核病的药物开发提供了结构基础，是分枝杆菌呼吸链领域的重要的系统性的研究成果。
结核病（Tuberculosis）是一种由结核分枝杆菌引起的传染性疾病，目前仍是导致世界十大死因的疾病之一。根据 2020 年世界卫生组织（WHO）的统计，在全球范围内，约四分之一的人口潜伏感染结核病。由于耐多药和广耐药菌株的不断出现，造成了全球公共卫生危机，因此，新的抗结核药物的开发迫在眉睫。
近些年，以能量代谢系统为靶点的研究已成为抗结核药物开发的重要方向。呼吸链复合物II又叫做琥珀酸脱氢酶（SQR）或富马酸还原酶（QFR），它是连接呼吸作用与三羧酸循环的关键膜蛋白，同时调控着物质代谢与能量转化过程。研究表明，结核分枝杆菌的Sdh1蛋白作为一种新型（Type F）的呼吸链复合物II对于结核分枝杆菌的氧适应性调控至关重要，是结核分枝杆菌生长和生存必需的蛋白。然而，关于Sdh1蛋白的三维结构信息及其电子传递机制目前尚不清楚，限制了针对该靶点的抗结核药物研发。
本研究运用单颗粒冷冻电镜技术（single-particle cryo-electron microscopy）解析了Sdh1蛋白天然状态（Sdh1-apo）及与底物结合状态（Sdh1-ubiquinone 1）的两种高分辨率的结构。首次观察到的Rieske形式的 [2Fe-2S] 替代了跨膜区域中传统的血红素b ，酶活性测定及电子顺磁共振（electron paramagnetic resonance，EPR）实验显示，Rieske形式的[2Fe-2S] 是Sdh1结构稳定和电子传递必需的组分，并介导形成了无自由基生成的新型的电子传递通路。
图1 结核分枝杆菌呼吸链复合物Sdh1结构及参与电子传递的氧化还原中心
呼吸链蛋白的醌底物结合位点往往是药物分子的作用靶点。本研究中，Sdh1-UQ1的高分辨结构清晰地呈现了Sdh1的醌底物结合位点。经结构比对发现，Sdh1的醌底物结合位点被与之对应的哺乳动物呼吸链复合物II跨膜蛋白的一根螺旋阻隔，由此显示出显著的空间结构差异。这一发现为抗结核病的药物开发提供了结构基础。
图2 Sdh1蛋白复合物与哺乳动物呼吸链复合物II的跨膜区结构比对
本研究是该研究团队继在国际知名学术期刊Science、Nature communications发文后在结核分枝杆菌呼吸链领域取得的又一重要的系统性的研究成果。我院饶子和院士、贡红日副教授和上海科技大学王权研究员为本文的共同通讯作者。生命科学学院2017级博士研究生唐延婷也参与了此项工作。该研究得到了天津市青年自然科学基金、国家自然科学基金和科技部重点研发计划的大力支持。
原文链接：【https://www.pnas.org/content/118/15/e2022308118】
相关文献：
Gong, H.#*, Gao, Y.#, Zhou, X., Xiao, Y., Wang, W., Tang, Y.,..., Wang, Q* & Rao, Z*. (2020). Cryo-EM structure of trimeric Mycobacterium smegmatis succinate dehydrogenase with a membrane-anchor SdhF. Nature communications, 11(1),1-8.
Gong, H.#, Li, J.#, Xu, A.#, Tang, Y., Ji, W., Gao, R., ..., Sun, F*, Wang, Q* & Rao, Z. (2018). An electron transfer path connects subunits of a mycobacterial respiratory supercomplex. Science, 362(6418).
