分枝杆菌肌苷5′-单磷酸脱氢酶八聚体界面构象动态研究及其抗菌药物开发意义

本研究针对细菌嘌呤代谢关键酶IMPDH（肌苷5′-单磷酸脱氢酶）的构象动态机制不明问题，通过冷冻电镜解析了Mycobacterium smegmatis IMPDH（MsmIMPDH）在反应中间态E-XMP*下的全长结构，首次揭示了底物诱导的C-末端折叠与K+ 结合位点形成机制，发现新型八聚化界面及自组装调控的"桶状结构"，为靶向细菌IMPDH的抗菌药物设计提供新思路。

　　

在细菌耐药性日益严峻的背景下，靶向必需代谢酶的抗菌药物研发成为重要突破口。肌苷5′-单磷酸脱氢酶（IMPDH）作为嘌呤合成通路中的限速酶，催化IMP（肌苷5′-单磷酸）转化为XMP（黄苷5′-单磷酸）的两步反应，是细菌合成鸟苷三磷酸（GTP）的关键节点。尽管IMPDH已被确认为有潜力的抗菌靶点，但细菌IMPDH的八聚体组装动态、底物诱导的构象变化等机制仍不清楚，特别是其C-末端区域的功能长期存在争议。

捷克马萨里克大学中央欧洲技术研究所的研究团队选择非致病性模式菌Mycobacterium smegmatis（Msm）的IMPDH为研究对象，通过冷冻电镜技术捕获了该酶在E-XMP*反应中间态的全长结构，相关成果发表于《Journal of Structural Biology》。研究首次揭示了底物IMP单独存在时即可诱导C-末端构象重排并形成K⁺
结合位点，发现了一种全新的压缩型八聚体界面，并意外观察到中心"桶状密度"的组装-解聚动态，这些发现为理解细菌IMPDH的变构调控提供了结构基础。

研究采用冷冻电镜单颗粒分析技术，对添加10 mM IMP/NAD⁺
/ATP的MsmIMPDH样本进行数据采集，通过RELION软件处理获得2.39-3.01 ?分辨率的结构。利用ISOLDE和Phenix进行模型搭建与优化，重点分析了活性位点配体结合模式及八聚体界面相互作用。

【2.1 Cryo-EM结构揭示E-XMP反应中间态】
研究获得两种主要构象：扩展型（2.39 ?）和压缩型（2.74 ?）八聚体。两者单体结构相似，均显示Cys325与IMP C2共价连接的E-XMP中间态，以及NAD⁺
/NADH结合。压缩型结构展现出独特的八聚化界面，由相邻链的指状结构域（finger）和C-末端相互作用形成，与已知细菌IMPDH界面显著不同。

【2.2 压缩型结构的新型八聚化界面】
该界面由指状结构域（残基391-404）、瓣状结构域（flap，残基405-450）和C-末端（残基495-513）共同构成，形成对称的相互作用网络。与apo状态相比，压缩型八聚体发生约28°旋转，可能代表催化循环中的过渡态或抑制态。

【2.3 IMP结合触发C-末端有序化】
在仅含ATP+IMP的样本中，C-末端仍能折叠并参与K⁺
位点形成（由Gly320/Gly322/Cys325和相邻链的Glu495/Ser496/His497构成）。这一发现修正了既往认为K⁺
仅在E-XMP*阶段结合的观点，证明IMP单独结合即可诱导构象变化。

【2.4 C-末端自组装形成中心桶状结构】
对12个冷冻电镜地图的再分析发现，在未结合IMP的压缩结构中，八个亚基的C-末端在八聚体中心形成未解析的"桶状密度"。随着octamer扩展，该密度逐渐解离，最终在IMP结合状态下完全消失。研究者提出"协同结合"新机制：低浓度IMP时，中心桶阻碍C-末端重排；高浓度IMP促使界面重构，解除自抑制。

这项研究系统阐释了MsmIMPDH八聚体界面的动态重塑机制：
1）发现新型压缩型octamer构象，拓展了对IMPDH构象谱的认识；
2）阐明IMP结合直接诱导C-末端折叠与K⁺
位点形成的分子基础；
3）首次揭示C-末端通过中心桶状结构实现的自调控机制，为解释该酶的协同动力学提供结构依据。

这些发现不仅深化了对细菌IMPDH变构调控的理解，更为重要的是，新发现的八聚化界面和C-末端动态特征为设计选择性抑制分枝杆菌IMPDH的小分子药物提供了全新靶点。特别针对结核分枝杆菌等病原体，针对这些独特界面的抑制剂可能避免与人类IMPDH的交叉反应，具有重要的转化医学价值。研究采用的冷冻电镜策略也为其他多亚基代谢酶的结构动态研究提供了方法学参考。