结核病是由结核分枝杆菌引起的一种全球性传染病，每年夺去数百万人的生命，给人类的生命健康带来了严重威胁。多耐药结核病和广泛耐药结核病的出现，使得发现新的药靶蛋白以及研发更有效的抗结核新药成为迫切需要。结核分枝杆菌细胞膜上的转运蛋白，特别是底物多样的腺苷三磷酸结合盒转运蛋白（ABC转运蛋白），在摄取营养物质、逃避免疫反应、外排药物以及发挥致病性等过程中扮演着重要角色。其中寡肽转运体OppABCD，通过摄取各种多肽为结核分枝杆菌提供营养，并帮助病原体逃避宿主免疫，是一个潜在的药物靶点。
2024年3月28日，上海科技大学免疫化学研究所张兵/饶子和/杨海涛/杨晓琳团队在Nature Structural & Molecular Biology杂志上在线发表题为An oligopeptide permease, OppABCD, requires an iron–sulfur cluster domain for functionality的研究论文。该研究率先揭示了结核分枝杆菌摄取寡肽的精确分子机制，并系统阐明了OppABCD的底物偏好性，为拟肽类抑制剂的设计奠定了重要的理论基础。此项工作也是该团队近期继阐明结核分枝杆菌双功能转运体DppABCD的作用机制（Sci Adv, 2024）后针对结核分枝杆菌跨膜转运系统研究取得的又一重要成果。
研究团队通过冷冻电镜技术解析了结核分枝杆菌寡肽转运体OppABCD在静息（resting）状态、结合内源性寡肽的预转运（pre-translocation）状态、结合寡肽和AMPPNP的预催化中间（pre-catalytic intermediate）态和结合ATP的催化中间（catalytic intermediate）态这四种功能状态下的高分辨率三维空间结构。OppABCD复合物结构是首个被完整表征的寡肽内向转运体的分子结构，展现出与众不同的C类底物捕获蛋白OppA与转运子OppBCD的组装方式。值得注意的是，结构中还发现ATP水解酶OppD的两个核苷酸结合结构域之间意外存在一个独特的铁硫簇（[4Fe-4S]）结合结构域。此外，处于催化中间态的OppABCD结构则呈现出了一种ABC内向转运系统（ABC importer）中少有的封闭构象。
为进一步揭示OppABCD的作用机制，首先，基于结构、质谱和底物刺激的ATPase活性等分析，作者系统阐明了OppABCD对于寡肽底物的识别和选择偏好机制。随后，通过生化实验和冷冻电镜研究揭示了铁硫簇结构不仅参与复合物中OppD的组装，其氧化还原状态的改变还能调控OppABCD的转运活性。最后，综合分析转运过程中四种中间状态的构象，作者提出OppABCD以经典的“交替访问”模式介导底物进行跨膜转运的分子机制。综上，该研究为细菌的多肽摄取提供了可视化的分子图像，对底物长度和组成偏好性的全面剖析为拟肽类抑制剂的设计奠定了重要的理论基础。更为重要的是，OppABCD通过铁硫簇调控底物转运，这一重要发现刷新了对ABC转运家族功能机制的认知。
结核分枝杆菌OppABCD的三维结构和底物转运机制示意图
上海科技大学免疫化学研究所副研究员张兵、特聘教授饶子和院士、教授杨海涛以及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）为本文的共同通讯作者。杨晓琳和饶子和课题组博士生胡天煜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.nature.com/articles/s41594-024-01256-z
相关文章链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk8521
