浙大基础医学院冯友军课题组与复旦大学甘建华教授合作，在耐药分枝杆菌生物素的合成机制方面取得了重要进展。7月11日，在微生物学顶尖刊物PLoS Pathogens发表了题为“Three enigmatic BioH isoenzymes are programmed in the early stage of mycobacterial biotin synthesis, an attractive anti-TB drug target”的研究长文。

该发现是继发现1)分枝杆菌生物素代谢的乙酰化调控网络与2)α-变形细菌的独特生物素BioZ合成通路以来，冯友军课题组在细菌生物素领域的又一力作！

生物素(维生素B7)是一类含硫脂肪酸衍生物。生物素多以蛋白修饰的形式存在，参与糖、蛋白质和脂肪酸在内的系列重要代谢过程。生物素亦是一类高耗能的生物分子，其合成途径受到精密调控。冯友军课题组曾率先揭示了分枝杆菌BioQ蛋白所执行的独特生物素感应机制。生物素是几乎所有生命形式所必需的营养物质。近年来，不断有研究表明生物素代谢参与到致病菌的感染过程。因此，学术界提出了“生物素作为限制性/营养性毒力因子”这一科学假说(图1)。细菌耐药性的广泛蔓延已成为了不争事实，对全球公共卫生提出了研究挑战！因此，新抗菌靶点挖掘与新型抗生素发现已成为缓解当下窘境的迫切需求。理论上，生物素代谢途径的关键酶具备潜力成为新型抗菌药物的有效靶点。

结核分枝杆菌系一类可引发TB结核病这一重大传染性疾病的病原体。据WHO报道，全球每年约有800万新病例发生，大概有300万人死于TB感染。世界上四分之一的人口是TB携带者。随着异烟肼、利福平、环丝氨酸、乙胺丁醇等一线药物的大量使用，TB耐药的形势俨然十分严峻，因此亟需挖掘抗TB的新型药物靶点。尽管有观点提出“生物素代谢可作为一个潜在的抗TB靶点”，但是过去20年来，学术界对分枝杆菌生物素代谢合成的早期途径，知之甚少。在“病原菌的多重耐药/泛耐药”的严峻形势下，推动TB病原菌生物素代谢的机制研究具有重要理论价值与现实意义(图1)。

图1 生物素代谢与细菌毒力

基于耻垢分枝杆菌为研究模型，通过表达性克隆手段，进行了全基因组范围的遗传筛选。出乎意料的是，该分支杆菌染色体编码了三个进化迥异的BioH同工酶(BioH1到BioH3)，且共同参与了其生物素的合成途径(图2)。

图2 齿垢分枝杆菌的生物素合成途径

研究显示，单个bioH亚型在生物素缺陷型的大肠杆菌突变体(ΔbioH)中异源表达，能够赋予其合成生物素的能力(图3)。

图3 BioH同工酶的进化与功能

体外生化实验与体内生物素测定手段显示：BioH2和BioH3能够作用于其生理性底物M-C7-ACP，消除其甲基基团得到C7-ACP产物(图2)。该C7-ACP正是生物素晚期合成步骤的前体分子。结构生物学研究测定了BioH3二聚体的高分辨率晶体结构，提示了其独特的“盖子”结构域(图4)。结构与功能分析进一步绘制了BioH的催化三联体以及其底物结合口袋。

图4 BioH3的独特结构

通过基因敲除实验，成功构建耻垢分枝杆菌bioH1/2/3三重突变菌株。微生物学表型实验证明了该突变体确系生物素营养缺陷型，并且BioH蛋白可用于体外生物素合成体系的重建(图5)。鉴于以上系列研究结果，冯友军课题组定义了一个非典型“BioC-BioH(3)”的生物素早期合成途径。诚然，该研究解决了分枝杆菌生物素营养免疫领域的一大难题，为抗结核药物研发的提供了新靶点。

图5 BioH同工酶的遗传与生化

冯友军课题组长期聚焦于“细菌脂代谢与耐药/致病性”的机制研究，发表重要研究论文60余篇，累计引用9200余次(h-指数：48)。该研究工作获得了国家基金委多个项目的联合资助[依次为：国家杰出青年基金，重点项目以及耐药重大专项]，同时得到了广西大学李伟辉博士以及成都医学院贾旭教授等合作伙伴的鼎立协作。浙江大学冯友军教授(https://person.zju.edu.cn/fyj)与复旦大学甘建华教授担任该研究论文的共同通讯作者。 

原文链接：

https://journals.plos.org/plospathogens/article?id=10.1371/journal.ppat.1010615

图文|冯友军课题组

编辑|郭静娴