由结核分枝杆菌感染引起的结核病是一种严重危害人类健康的传染性疾病，每年造成百万人的死亡和近千万人的感染。近年来耐药结核病的加剧，加上COVID-19的大流行，医疗资源的挤兑，使得当前结核病的防治形势仍然十分严峻。因此，亟需阐明与结核分枝杆菌感染和致病密切相关的重要蛋白质复合物的功能机制，为抗结核新药的研发奠定理论基础。
铁摄取对于维持结核分枝杆菌胞内存活和发挥致病性起到关键作用，而宿主先天性防御即营养免疫的主要形式就是铁的隔离。因此，阻断结核分枝杆菌对铁元素的吸收是极具潜力的、全新的抗结核新药研发的方向。ABC转运蛋白DppABCD在结核分枝杆菌铁元素摄取过程中扮演重要角色，负责将外源血红素作为铁源导入病原体中，该过程对于病原体在巨噬细胞中的存活至关重要。此外，DppABCD还被报道参与三肽或四肽的跨膜转运。然而，该系统的组装方式和导入不同底物的分子机制尚不清楚。
2024年3月20日，上海科技大学免疫化学研究所张兵/饶子和团队在Science Advances发表了题为Molecular basis for substrate transport of Mycobacterium tuberculosis ABC importer DppABCD的研究论文，揭示了结核分枝杆菌双功能转运体DppABCD的组装模式和介导底物跨膜的分子机制。
该研究利用单颗粒冷冻电镜技术首次解析了结核分枝杆菌双功能转运体DppABCD分别处于静息状态（resting state）、前移位状态（pre-translocation state）和催化中间态（catalytic intermediate state）的高分辨率三维空间结构。复合物结构展示了一种ABC转运家族中先前从未表征的组装模式即底物捕获蛋白DppA以开放的构象通过广泛的氢键和静电相互作用直立地结合在转运子DppBCD上。此外，结构中还首次观察到位于去垢剂微团中DppA 的N端三酰基化修饰，这为推测DppA锚定在细胞膜上提供了进一步的证据。通过结构分析和生化验证，作者揭示了DppA的脂锚定及其N端与DppB的识别都是形成完整DppABCD复合物的必要前提。该系统的另一个明显的结构特征是跨膜亚基的不对称性。其中DppC的第一次跨膜螺旋（TMH1）在胞质侧发生断裂，使其包埋在膜区部分的取向与DppB的TMH1明显不同。而相较于DppC，DppB则具有一个更大的由三个α-螺旋构成的周质环（P1 loop）。通过结构比较发现，DppB的P1 loop会伴随跨膜区的构象变化伸入DppA的底物结合口袋，从而介导DppA中底物的释放，对于底物进入跨膜区发挥关键作用。除此之外，作者还表征了DppA中参与底物识别和结合的关键氨基酸残基。基于底物和ATP结合后诱导的一系列构象变化，提出了DppABCD通过经典的“交替访问”模式转运底物的分子机制。总之，该研究首次揭示了DppABCD转运底物的分子细节，不仅丰富了ABC转运家族的功能机制，也为靶向该系统的抑制剂发现奠定了重要的结构基础。
结核分枝杆菌DppABCD的结构特征和转运底物的工作模式
上海科技大学免疫化学研究所副研究员张兵和特聘教授饶子和院士为本文的共同通讯作者。饶子和课题组博士生胡天煜和深圳国家感染性疾病临床医学研究中心副研究员杨晓琳（原免化所杨海涛课题组博士后）为本文共同第一作者。上海科技大学为第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金委、上海市科学技术委员会和中国科学技术协会的大力支持。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk8521
