2023年3月22日,，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,、細(xì)胞架構(gòu)研究中心于洪軍,、張敏團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)劉曉天團(tuán)隊(duì)合作的研究論文，題為《真菌β-1,3-葡聚糖合成酶FKS1的分子機(jī)理》（Structural and mechanistic insights into fungal β-1,3-glucan synthase FKS1）,，華中科技大學(xué)為論文的第一完成單位。該研究解開了困擾領(lǐng)域多年的抗真菌藥物重要靶點(diǎn)-真菌細(xì)胞壁β-1,3-葡聚糖的合成及其靶向藥物的作用機(jī)制之謎,，對于應(yīng)對侵襲性真菌感染這一臨床問題具有重要科學(xué)意義,。
侵襲性真菌感染每年造成超過150萬人的死亡，好發(fā)于免疫缺陷,、器官移植,、重癥新冠肺炎等高危人群，患者病死率極高,。這一嚴(yán)重疾病的治療卻面臨藥物種類極為有限,、藥物毒副作用大、耐藥性菌株不斷出現(xiàn)等嚴(yán)峻問題,，因此,，迫切需要開發(fā)多種新型抗真菌藥物以應(yīng)對當(dāng)前需求。β-1,3-葡聚糖是真菌細(xì)胞壁特有的核心多糖成分,，其合成途徑是開發(fā)抗真菌藥物的關(guān)鍵靶點(diǎn),，成功的靶向藥物包括臨床上廣泛使用的棘白菌素類一線藥物以及近期獲批的新藥艾瑞芬凈（ibrexafungerp）和瑞扎芬凈（rezafungin）。然而,，長期以來,，對真菌細(xì)胞壁β-1,3-葡聚糖的合成機(jī)制缺乏了解，是領(lǐng)域內(nèi)面臨的瓶頸問題,。雖然一些間接證據(jù)提示了FKS1是可能的葡聚糖合成酶,，但至今仍缺乏二者聯(lián)系的直接證據(jù)。另外,，棘白菌素類藥物的抗真菌機(jī)制是什么,？廣泛出現(xiàn)的耐藥性來源是什么？這一系列與臨床緊密聯(lián)系的關(guān)鍵問題仍不清楚,，嚴(yán)重阻礙了該領(lǐng)域新藥創(chuàng)制的發(fā)展,。
針對上述問題，研究團(tuán)隊(duì)通過生物化學(xué)分析和探索性功能實(shí)驗(yàn),，巧妙的設(shè)計(jì)并篩選到了影響FKS1活性的重要突變,，建立了關(guān)鍵的提純和反應(yīng)條件,，并對體外聚合產(chǎn)物應(yīng)用糖苷酶水解、薄層層析,、甲基化色譜質(zhì)譜分析等手段進(jìn)行多角度分析,，首次直接證明了FKS1可以特異性合成真菌細(xì)胞壁β-1,3-葡聚糖，解決了領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵問題（圖1a-d）,。研究人員據(jù)此建立了FKS1活性的非放射性檢測體系,，有助于建立簡易、高效的藥物篩選體系,，具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值,。研究人員還鑒定出了FKS1的兩個(gè)關(guān)鍵功能區(qū)域，包括一個(gè)近細(xì)胞膜的催化反應(yīng)中心和一個(gè)半閉合的聚糖跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)通道,。通過系統(tǒng)性突變研究以及體內(nèi),、體外的功能分析，確定了FKS1合成β-1,3-葡聚糖的催化和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制,，在多種致病真菌中高度保守,，對于廣譜抗真菌藥物的開發(fā)具有非常重要的意義（圖1e）。為了探索靶向藥物的作用機(jī)制,，研究人員通過生化分析揭示了耐藥相關(guān)熱點(diǎn)區(qū)域的空間分布和特點(diǎn)：位于緊鄰的三股跨膜螺旋TM5-6和TM8上,，并結(jié)合有多個(gè)高度有序的脂分子，形成潛在的藥物結(jié)合位點(diǎn)（圖1g）,。藥物活性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這些位點(diǎn)的突變會顯著降低FKS1對藥物的敏感性,，進(jìn)而產(chǎn)生耐藥性（圖1f）。研究人員最終解析了臨床上最常見的代表性耐藥突變體FKS1-S643P的蛋白構(gòu)象,，比對分析發(fā)現(xiàn)了該突變引發(fā)了耐藥熱點(diǎn)區(qū)域的顯著構(gòu)象變化，并導(dǎo)致了附近脂分子的重排（圖1h）,，揭示了耐藥性產(chǎn)生的一種獨(dú)特分子機(jī)理,，為解決臨床耐藥問題提供了重要啟示。
綜上所述,，該研究工作突破性的解決了抗真菌藥物開發(fā)領(lǐng)域的關(guān)鍵問題-真菌細(xì)胞壁β-1,3-葡聚糖合成的分子機(jī)制,，揭示了棘白菌素類一線抗真菌藥物的作用機(jī)制和耐藥產(chǎn)生機(jī)理，研究成果不僅有助于應(yīng)對日益嚴(yán)峻的真菌耐藥問題,，也會有力推進(jìn)新型抗真菌藥物的開發(fā)進(jìn)程,，對于解決侵襲性真菌感染這一重大臨床問題至關(guān)重要。
論文第一完成單位為華中科技大學(xué),，于洪軍教授,、張敏副研究員和南方科技大學(xué)劉曉天副研究員為本文的共同通訊作者，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士生胡鑫霖,、楊坪為共同第一作者,，碩士生柴長棟,、博士生劉佳、孫歡歡,、吳亞楠在研究中做出了貢獻(xiàn),。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、青年項(xiàng)目,、重大研究計(jì)劃（培育項(xiàng)目）等項(xiàng)目的資助以及華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院,、細(xì)胞架構(gòu)研究中心和南方科技大學(xué)張明杰院士團(tuán)隊(duì)的大力支持。
該論文是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院于洪軍,、張敏團(tuán)隊(duì)在繼“抗真菌藥物尼克霉素Z抑制真菌細(xì)胞壁幾丁質(zhì)合成的分子機(jī)制研究”（Structures and mechanism of chitin synthase and its inhibition by antifungal drug Nikkomycin Z,，詳見http://ihostsecure.com/info/1051/11672.htm）2022年12月發(fā)表于Cell Discovery之后，基于在糖生物學(xué)領(lǐng)域積累的研究基礎(chǔ),，聚焦抗真菌藥物靶點(diǎn)領(lǐng)域的又一項(xiàng)進(jìn)展,。該團(tuán)隊(duì)長期從事疾病相關(guān)蛋白復(fù)合物的機(jī)制研究，特別關(guān)注真核生物糖基化的分子機(jī)制,、靶向干預(yù)及其在疾病中的應(yīng)用,，相關(guān)研究成果在Nature、Cell,、Nature Chemical Biology,、PNAS、Nature Communications,、Cell Reports,、Cell Discovery等國際知名期刊發(fā)表論文多篇。
English
