3月21日，《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）在線發(fā)表了中國科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所張鵬研究組題為Structural basis of rifampin inactivation by rifampin phosphotransferase 的研究論文。該研究通過解析利福平磷酸轉(zhuǎn)移酶（Rifampin Phosphotransferase, RPH）不同構(gòu)象的晶體結(jié)構(gòu)，以及生理、生化分析，揭示了RPH磷酸化利福平及利福霉素類抗生素導(dǎo)致其失活的分子機(jī)制。

利福平（Rifampin, RIF）屬于利福霉素類抗生素，是目前治療結(jié)核病的一線藥物，并被廣泛應(yīng)用于其他細(xì)菌感染的治療。大量使用利福平導(dǎo)致致病菌對其產(chǎn)生多種耐藥性，嚴(yán)重影響了結(jié)核等傳染病的防御和治療，而耐藥機(jī)理的研究對解決細(xì)菌耐藥性至關(guān)重要。RPH是一類導(dǎo)致細(xì)菌對利福霉素類抗生素產(chǎn)生耐受的抗性蛋白，其通過消耗ATP磷酸化利福平及利福霉素（C21位羥基），使其喪失抑菌活性。然而人們對RPH的催化機(jī)理卻不清楚。

在本項(xiàng)工作中，張鵬研究組的博士研究生齊曉峰等解析了致病菌Listeria monocytogenes來源的利福平磷酸轉(zhuǎn)移酶（LmRPH）催化過程不同底物結(jié)合狀態(tài)的晶體結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)比較、酶活測定、抑菌實(shí)驗(yàn)、質(zhì)譜分析等實(shí)驗(yàn)手段，研究人員發(fā)現(xiàn)LmRPH由三個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域組成：ATP結(jié)合結(jié)構(gòu)域（ATP-binding domain, AD）、RIF結(jié)合結(jié)構(gòu)域（RIF-binding domain, RD）和一個含有關(guān)鍵催化位點(diǎn)組氨酸的結(jié)構(gòu)域（His-containing domain, HD）。AD上的ATP結(jié)合位點(diǎn)和RD上的RIF結(jié)合位點(diǎn)相距較遠(yuǎn)（49Å），HD可以在AD和RD之間擺動從而實(shí)現(xiàn)磷酸基團(tuán)從ATP到RIF的傳遞。HD在此過程中穩(wěn)定了AD對ATP的結(jié)合，并與RD共同形成RIF結(jié)合口袋。RIF的主要分子構(gòu)架（安莎橋和萘酚環(huán)）通過疏水作用結(jié)合在LmRPH分子表面的結(jié)合口袋內(nèi)，而其R基團(tuán)游離在口袋外，這一發(fā)現(xiàn)解釋了為什么RPH對利福霉素家族其他成員同樣具有活性。RIF磷酸化位點(diǎn)附近的四個氨基酸His825, Arg666, Lys670和Gln337在催化過程發(fā)揮重要作用，其中來自HD的His825在ATP的存在下可被磷酸化，很可能在催化過程中負(fù)責(zé)磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移。基于上述結(jié)果，研究人員提出了RPH催化利福霉素磷酸化的分子機(jī)理，而這一磷酸化很可能導(dǎo)致利福霉素對其靶點(diǎn)蛋白（細(xì)菌RNA聚合酶）的結(jié)合力降低從而喪失抑菌活性。該研究為新一代利福霉素類抗生素的研發(fā)指出了方向。

該研究得到了基金委、科技部和中國科學(xué)院的經(jīng)費(fèi)資助。晶體衍射數(shù)據(jù)收集工作得到了國家蛋白質(zhì)中心（上海）設(shè)施19U線站和上海光源17U線站的支持與幫助。

（A）轉(zhuǎn)入LmRPH的大腸桿菌可耐受高濃度利福平；（B）LmRPH體外酶活分析；（C）RIF結(jié)合口袋；（D）催化位點(diǎn)（紅色示磷酸化的利福平）；（E）LmRPH催化利福霉素磷酸化的分子機(jī)制。