2021年7月30日，贡红日副教授、饶子和院士联合上海科技大学免疫化学研究所王权研究员等多个课题组在国际知名期刊Nature Communications在线发表题为“Cryo-EM structure of mycobacterial cytochrome bdreveals two oxygen access channels”的研究论文。团队利用单颗粒冷冻电镜技术解析了耻垢分枝杆菌细胞色素bd复合物的高分辨率（2.8 Å）结构，结合生化实验揭示了一种独特的醌氧化与氧还原相偶联的催化机制。研究成果为抗结核药物的发现奠定了重要基础。

结核病（Tuberculosis）是结核分枝杆菌引起的慢性传染病，目前仍是严重危害公共健康的传染性疾病。能量代谢系统是抗结核药物研发的重中之重。呼吸链是生命体能量代谢的重要组成部分：电子从还原性底物醌经电子传递链最终传递给氧分子，伴随反应过程产生的质子驱动力促进ATP的合成，进而为生命活动供能。分枝杆菌呼吸链存在两种末端氧化酶，一种是超级复合物III-IV，另一种是细胞色素bd复合物。靶向结核菌呼吸链III-IV超级复合物的候选药物Q203刚完成临床二期研究，并取得了良好的治疗效果。然而，细胞色素bd复合物作为III-IV超级复合物的旁路，削弱了Q203的杀菌效果。此外，细胞色素bd仅在原核生物中存在。因此，结核菌细胞色素bd复合物是一个理想的抗结核药物靶点。

研究结果显示，耻垢分枝杆菌（结核分枝杆菌研究的模式菌）细胞色素bd由cydA和cydB两个亚基组成，并采取近二次对称的排布方式。结构以及序列比对发现分枝杆菌细胞色素bd底物结合区域Q-loop具有物种特异性，可作为原核生物进化分析的参考。

图1 耻垢分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物结构

细胞色素bd复合物中血红素辅基是电子传递的载体及氧还原的反应中心。虽然耻垢分枝杆菌细胞色素bd复合物属于S家族，但是其低自旋血红素b558、高自旋血红素b595和d排布却类似于L家族的E. coli，暗示了分枝杆菌细胞色素bd复合物中电子的传递路径。

图2 耻垢分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物血红素的组成与排布

分枝杆菌细胞色素bd复合物在低氧环境中表达，且具有较高的氧亲和力。本研究通过生化实验并结合前人的结构功能，证实了分枝杆菌细胞色素bd复合物中双氧气通道，有助于阐释了结核菌耐低氧的分子机制。这些发现进一步丰富了我们对于细胞色素bd复合物的结构功能的认知，为后续针对该靶点的药物设计奠定了基础。

图3 耻垢分枝杆菌呼吸链细胞色素bd复合物发挥功能的分子机制

上海科技大学王伟伟博士和高岩博士为该研究论文的共同第一作者。南开大学贡红日副教授、饶子和院士及上海科技大学王权研究员为共同通讯作者。生命科学学院博士后唐延婷、2020级和2021级本硕博贯通推免生张玉莹、赖越峥参与了此项研究。本研究工作得到了上海科技大学生物电镜平台中心和国家蛋白质科学中心（上海）质谱平台的支持及科技部和国家自然科学基金委的项目资助。

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