结核病由结核分枝杆菌（简称结核杆菌，Mycobacterium tuberculosis, Mtb）感染引起，是目前全球传染病头号杀手，每年造成千万人感染、百万人死亡。由于其感染致病机制复杂，抗结核药物研发缓慢，过去五十余年间只有三个小分子药物获批上市。其中两个为硝基咪唑类药物：德拉马尼（Delamanid）和普托马尼（Pretomanid），二者在结核病特别是耐药结核病（DR-TB）治疗中具有不可替代的作用。
德拉马尼和普托马尼均为前药（pro-drug）：进入结核杆菌后，经病原体特有的还原酶Ddn代谢，发生脱硝基反应。此前较为明确的机制是，前药经代谢激活后脱去的硝基基团，以活性氮形式在缺氧条件下杀伤非活动期结核菌。然而杀伤活动期结核菌的机制尚不明确，目前仅知其以某种激活药形式作用于细胞壁合成通路中的DprE2蛋白。DprE2是细胞壁阿拉伯糖基供体DPA合成的终末步骤关键酶，与上游蛋白DprE1共同催化DPR（核糖）向DPA（阿拉伯糖）的差向异构反应。DprE2是目前唯一已知的德拉马尼和普托马尼分子靶标，对其结构功能的研究成为破解这类硝基咪唑类药物作用机制的关键。
DprE1蛋白是近十年来抗结核药物研发中最重要的新靶标之一。目前处于抗结核短程治疗临床三期研究的候选新药OPC-167832，即是一种靶向DprE1的新型非共价抑制剂。因此，阐明OPC-167832作用于DprE1的分子机制，已成为抗结核领域另一个亟需解决的重要科学问题。
9月2日，上海科技大学张璐教授团队在《自然-化学生物学》（Nature Chemical Biology）发表题为Mechanism of the M. tuberculosis DprE1–DprE2 epimerase complex and inhibition by anti-tubercular drugs的研究论文，解析了DprE1-DprE2差向异构酶复合物的结构功能，同时回答了上述两个重要科学问题。团队首次报道了DprE1-DprE2以膜结合的差向异构酶复合物形式发挥功能。冷冻电镜结构揭示了复合物以四聚体形式组装，具体方式为DprE2在中心以同源二聚体组装，每个DprE2亚基外侧各结合一个DprE1亚基，即“1221”形式线性组装。该组装方式巧妙地实现了DprE1和DprE2之间“反式”(in trans)底物传递，有助于提高该差向异构反应的效率。此基础上，团队构建了体外的前药激活体系，并证实德拉马尼和普托马尼均以Ddn依赖的方式特异性抑制DprE1-DprE2复合物中DprE2的还原酶活性；而OPC-167832则直接靶向性抑制该复合物中DprE1脱氢酶活性。团队利用构建的体外激活体系，解析了激活态德拉马尼/普托马尼结合（即药物抑制态）的DprE1-DprE2复合物结构。
高分辨率的抑制态复合物结构中，DprE2亚基内清晰可见激活药物以脱硝基后的NADH缀合物形式存在，并且贯穿了DprE2亚基的NADH结合位点和底物结合位点，形成了强烈的药物-靶标相互作用，显示出与靶标的高亲和力。这种结合模式很好解释了为何临床耐药突变通常发生在药物激活相关基因，而非靶标基因上。德拉马尼和普托马尼具有相似的结合方式，其中含咪唑环的头部双环结构在药物结合中发挥重要作用，含三氟甲基的尾部基团伸向DprE2与膜结合的一侧。德拉马尼比普托马尼的疏水尾部更长，与DprE2形成更多的疏水相互作用，是其具有更好药物抑制活性（更小MIC）的原因之一。
该工作还首次报道了临床三期药物OPC-167832结合在复合物中DprE1亚基的冷冻电镜结构。OPC独特的喹诺酮头部不仅与DprE1活性中心形成多个极性相互作用，同时还通过和辅因子FAD互作，最终形成稳定的药物-靶标-辅因子互作三联体。与底物GGPR结合的DprE1结构对比表明，药物OPC的头部结构更深地插入到DprE1活性中心，从而竞争性抑制了底物的结合。值得注意的是，DprE1共价抑制剂结合位点Cys387也参与了OPC的结合，因此提示可能会产生与共价抑制剂的交叉耐药。
图. 抗结核药物德拉马尼、普托马尼与候选新药OPC-167832与细胞壁差向异构酶DprE1-DprE2复合物结构机制
综上，该工作通过对细胞壁合成通路关键差向异构酶DprE1-DprE2复合物的结构功能研究，系统性揭示了目前抗结核领域最为重要的新药和候选新药作用机制，阐明了领域关注的激活态硝基咪唑类药物的结构信息，为抗结核新药发现提供了重要的靶标结构信息。特别是通过设计生物学路线，避开了化学合成大分子量激活态药物的技术瓶颈，开发了前药激活-靶标抑制的生物化学体系，为药物发现搭建了高效可控的技术平台。
上海科技大学免疫化学研究所张璐教授与英国伯明翰大学Gurdyal Besra教授为该论文共同通讯作者。高珊、吴方羽和免疫化学研究所博士研究生张伊凡为共同第一作者。上海科技大学为本项工作第一完成单位，南开大学、英国伯明翰大学和上海交通大学为共同完成单位。
结核分枝杆菌细胞壁通路是领域公认的抗结核药物研发首选靶标通路。上科大张璐教授团队聚焦该通路，系统性解析了多个重要靶标蛋白质复合物结构，揭示了从一线老药乙胺丁醇作用于细胞壁阿拉伯糖基转移酶EmbABC，到新药德拉马尼/普托马尼作用于差向异构酶DprE1-DprE2的作用机制。团队在细胞壁药物靶标方向曾首次报道了全新靶标—膜蛋白磷酸核糖基转移酶Rv3806c作用机制，和阿拉伯糖起始合成酶AftA结构机制。在耐药机制方面，张璐团队曾首次报道ABC转运体介导一线药物利福平耐药的分子机制。相关工作为系统性理解抗结核药物作用机制和耐药机制提供了重要的结构基础。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-026-02317-8
