结核分支杆菌潜在药物靶标膜蛋白MenA的结构和功能研究

Tuberculosis (TB) is still remained a major global health problem. It is the second infectious disease leading to death among infectious diseases worldwide after the human immunodeficiency virus (HIV). Now there are three big problems unresolved, such as the etiological agent and diagnostic tests of tuberculosis, hampers development of much-needed drugs and vaccines. Drug resistance is the most heavily thing among these, including MDR (multidrug resistance) and XDR (extensively drug resistance). In order to address above problems, new vaccine and new drugs are urgently needed. Here, our aims are to develop drugs for cure tuberculosis mainly via means of structure biology, combination methods of biochemistry, genetics and cell biology. We are investigating, the potential drug target of mycobacterium tuberculosis (mTB), MenA and UbiA, which are responsible for biosynthesis of ubiquinone and menaquinone in cell membranes, respectively. Ubiquinone and menaquinone, fat-soluble molecules, take as electron carrier in electron transfer chain in bacteria. We are aiming to determine structures of UbiA and MenA for rationale design inhibitors and furthering to know the inhibition-mechanisms. We also investigate structure and functions of MenA homologue UBIAD1 originated from humans, and will screen the higher selective inhibitors based on aligned structures between MenA and UBIAD1. Our studies will provide the solid foundation for drugs design and the theory basis for its further clinical transformation.

结核病是世界上仅次于艾滋病的第二大传染病。目前主要存在三大问题：一. 疫苗年代太久； 二. 主要药物使用历史过长，耐药性日趋严重； 三. 诊断缺乏标识物，检出率低。其中多抗药性和广泛抗药性是最主要的问题，已严重威胁临床治疗。因此，现在关键任务是开发新的疫苗和抗生素。我们利用结构生物学、生物化学、遗传学及细胞生物学等方法，研究结核杆菌致病相关重要蛋白，尤其重点研究潜在药物靶标膜蛋白。我们针对结核杆菌呼吸链上必需的电子载体Ubiquinone 和Menaquinone的关键合成酶MenA和UbiA进行结构和功能研究，揭示该类膜蛋白酶的催化机制。同时我们对来源人的MenA同源物蛋白UBIAD1进行结构和功能研究。通过MenA 和UBIAD1的结构比较，拟在MenA蛋白晶体结构基础上进行抑制剂筛选、药物设计和开发，力争筛选到高选择性抑制剂，为进一步的研究提供理论依据和指导，为医药转化奠定基础。

1..古细菌CDP-archeoal合成酶的结构和功能研究。 .我们解析了古细菌CarS蛋白质家族分辨率为2.3Å ApCarS-CT-Mg2+三元复合物晶体结构并揭示了ApCarS的底物识别机制和催化机制。该研究结果为靶向细菌磷脂生物合成提供了潜在的药物靶点，为微生物耐药研究及治疗拓宽了道路。ApCarS是Aeropyrumpernix古生菌中磷脂生物合成的一个关键多次跨膜蛋白酶，通过生化和结构揭示ApCarS依赖二价金属离子识别底物，进行CTP转移的催化机制；该研究第一次报道古细菌CarS蛋白质家族结构和功能，解析了CarS对脂溶性底物DGGGP的特异性识别，对理解生物界CTP转移酶家族的催化机制提供理论指导，对三界系统细胞膜关键成份的合成提出新的见解。同时，从进化角度诠释了细菌和古细菌的CTP转移酶是由一种特异性较低的共同祖先进来的。2.噬菌体交流机制研究:群体感应已经在细菌中进行了深入研究，群体感应信号之间的相互作用以及它们活动的协调性得到了很好的理解。然而，研究噬菌体和细菌之间的通讯以及病毒（噬菌体）通讯的分子机制的研究是有限的，该文通过生物学功能实验和蛋白质三维结构揭示噬菌体裂解-溶源循环调控的分子机制。不仅为噬菌体之间的交流奠定了分子基础，同时也为噬菌体用于临床治疗提供思路和理论指导，为目前微生物耐药提供了新的选择。我们通过显示由在特定芽孢杆菌菌株中起作用的不同噬菌体编码的各种通讯肽（SAIRGA和GMPRGA）以不同方式影响感染动力学：一种肽在促进溶原性方面比另一种更有效。为了获得对这一过程的机理并阐明这两种肽的差异效应的基础，通过研究了一系列“仲裁”系统的晶体结构，该结构涉及感染细菌的噬菌体的裂解--溶原循环决定并揭示了如何通过六肽协调系统生理活动。总而言之，我们通过结构生物学和微生物学揭示噬菌体类似于细菌的“群体感应”调控机制，进一步揭示噬菌体之间交流具有复杂性。