先日、世界トップクラスの学術誌Natureが南開大学生命科学学院貢紅日教授、饒子和院士と協力者の最新研究成果をオンラインで発表した。本研究はベダキリン（Bedaquiline、BDQ）及びその誘導体TBAJ-587が結核菌ATP合成酵素を抑制する分子メカニズムを説明し、同時にそれらとヒトATP合成酵素との間の交差反応メカニズムを明らかにし、新たな高選択性抗結核薬物の開発に重要な指導意義がある。

　7月8日、成果発表会が南開大学八里台キャンパス省身楼で行われた。南開大学党委員会書記の楊慶山、中国科学院院士、南開大学元学長の饒子和が発表会に出席し発言した。中国工程院院士、広州国家実験室主任の鐘南山が書面で挨拶を述べた。天津市第一中心病院元院長の沈中陽、天津医科大学元党委員会書記の姚智、北京胸科病院副院長、中華医学会結核学分会元主任委員の李亮、浙江大学遺伝学研究所所長、浙江大学生命科学学院元院長の管敏鑫、広州国家実験室研究員畢利軍、中央及び地方の主流メディア、南開大学の教員と学生代表120人近くが出席し、この画期的な科学研究の進展を共に見届けた。

　鐘南山院士は書面挨拶の中で、貢紅日教授、饒子和院士チームが抗耐薬結核薬物研究分野で実現したこの重要成果の突破は、結核症分野の最前線理論研究の基礎をより強固にしただけでなく、より高い選択性を持つ抗結核薬物の設計にも多くの可能性を提供し、同時に新型挙国体制の下での有益な実践でもあると述べた。広州国家実験室は引き続き研究チームを支援し、今回の成果をベースに、臨床治療効果がよりよく、副作用がより小さく、より安全で効果的な抗結核薬を探し、人民の健康に奉仕する重要な目標を実現する予定である。

　結核症は結核菌による伝染性疾患であり、主に肺を侵食し、深刻な場合には死に至る可能性があり、世界的にも注目されている重大な公衆衛生問題の一つである。ベダキリンは結核菌ATP合成酵素を標的とする阻害剤であり、結核菌の成長を効率的に抑制することができ、最近の半世紀以来全世界結核薬研究開発で初めて市場化した抗結核新薬であり、世界保健機関が耐リフィピン結核症と耐多剤結核長期治療プランの第一選択薬として登録した薬品である。

　しかし、研究によると、ベダキリンはカリウムイオンチャネル蛋白質hERGとの相互作用により患者の心臓が不整脈を起こすリスクを高め、またヒトATP合成酵素に対しても潜在的な交差抑制活性が存在することが分かった。そのため、結核菌ATP合成酵素の作動機序とベダキリンの作用機序及びそのヒトATPｈ合成酵素活性を抑制する分子メカニズムを明らかにすることは、新型結核菌ATP合成酵素阻害剤の開発に重要な意義がある。

　研究チームはまず「遺伝子打ち込み-遺伝子ノックアウト-遺伝子過発現」戦略を用いて、アフィニティークロマトグラフィー及びゲル濾過クロマトグラフィーによる蛋白質精製方法を組み合わせ、最終的にスメグマ菌を用いて均一で安定して活性な結核菌ATP合成酵素蛋白質サンプルを獲得した。

　その後、研究チームは冷凍サンプル製造条件の最適化を模索し、単粒子クライオ電子顕微鏡技術を用いてベダキリン結合状態における結核菌ATP合成酵素の高解像度クライオ電子顕微鏡構造（図1に示す）の解析に成功した。研究によると、ベダキリンは、主にキノリン基（A基）とジメチルアミノ基（D基）を介して結核菌ATP合成酵素と強く相互作用し、膜貫通領域の複数の部位に結合して、ATP合成酵素の膜貫通領域におけるCリングの回転を防ぎ、それによってプロトンの輸送を阻害、ATP合成を阻止することで結核菌を「餓死」させる目的を達成した。

図1ベダキリンに結合した結核菌ATP合成酵素のクライオ電子顕微鏡構造

　ベダキリン誘導体の中で最も代表的なものはTBAJ-587とTBAJ-876であり、現在候補薬はすべて臨床試験に入っている。研究チームはTBAJ-587結合状態における結核ビフィズス菌ATP合成酵素の高分解能冷凍電子顕微鏡構造（図2に示す）を解析した。構造は、TBAJ−587と結核菌ATP合成酵素の結合パターンとベダキリンの結合パターンが同じであることを示している。また、TBAJ-587とベダキリンはいずれも、主にA基とD基を介して結核菌ATP合成酵素と相互作用する。

図2 TBAJ-587 に結合した結核菌 ATP 合成酵素のクライオ電子顕微鏡構造

　最後に、研究者の分析により、ベダキリンとTBAJ-587はいずれもヒトATP合成酵素に対して交差反応が存在することが分かった。その後、研究者はヒトATP合成酵素がベダキリンに結合するクライオ電子顕微鏡構造の解析に成功した（図3に示す）。分析によると、ベダキリン中のB基とC基の再設計によるTBAJ-587はhERG蛋白質との相互作用による心臓の不整脈発生のリスクを低減させただけであり、A基を再設計最適化はヒトATP 合成酵素との相互作用を低下させ、臨床治療における潜在的な健康リスクを回避することが可能になる。

図3  ベダキリンに結合したヒト ATP 合成酵素のクライオ電子顕微鏡構造

　特筆すべきは、Nature誌が国際学術界で有名な「生体エネルギー学ゴードン会議」の元議長グレゴリー・クック（Gregory Cook）教授及び同僚を「ニュースと視点」（News&Views）コラムに招待し、本研究のために「ATP合成機器の青写真は結核薬の設計に役立つ」（Blueprints for ATP machinery will aid tuber ulosis drug design）と題するハイライトコメントを寄稿した。

　貢紅日教授は、本研究成果は結核症の基礎研究と臨床転化に重要な意義があり、ベダキリンのさらなる最適化と、類似またはより効果的な新薬の開発に推進的な役割を果たすであろうと述べた。

　饒子和院士は、「我々のチームは長期にわたって新発再発伝染性疾患の病原体に関連するタンパク質の構造と機能研究、及び革新的な薬物の研究開発に力を入れている。我々は現在、新型結核菌ATP合成酵素阻害剤の研究開発を開始し、早期に自主知的財産権を持つ抗結核新薬の開発を目指している」と述べた。

　南開大学学部から博士後期課程まで直接進学コース大学院生の張玉瑩、頼越峥は本文の共同第一著者である。南開大学生命科学学院貢紅日教授、饒子和院士、広州実験室劉鳳江副研究員、上海科学技術大学免疫化学研究所高岩副研究員は共同通信著者である。南開大学は第一完成機構である。

　以上の事業は国家重点研究開発計画青年科学者プロジェクト、国家自然科学基金優秀青年科学基金プロジェクトなどのプロジェクトの援助を得た。

論文リンク：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07605-8