摘要
结核病是世界上导致传染病死亡的主要原因，它对目前的一线抗生素越来越有抗药性1。细菌结核分枝杆菌(导致结核病)可以在低能量条件下存活，使感染保持休眠状态，降低对许多抗生素的敏感性2。Bedaquiline是2005年从一种表型筛选中确定的先导化合物开发出来的分枝杆菌smegmatis3.。这种药甚至可以杀菌结核分枝杆菌感染4它已成为治疗耐多药结核病和广泛耐药结核病的基石1，5，6。贝达喹啉以分枝杆菌ATP合成酶为靶点3.，是专性需氧酶的必需酶分枝杆菌属3.，7，但它如何结合完整的酶是未知的。在这里，我们确定了冷冻电子显微镜结构m . smegmatisATP合酶单独和与贝达喹啉复配。这种无药结构表明，来自α-亚基的钩状延伸阻止了酶的反向运行，抑制ATP水解并在缺氧条件下保存能量。贝达喹啉结合诱导ATP合酶的大构象变化，在亚基a和c的界面上形成紧密的结合袋，这解释了这种药物作为结核病抗生素的效力。
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低温电镜图已存入电子显微镜数据库(EMDB)，登录号为emd - 22311来emd - 22322。原子模型已保存在蛋白质数据库中，编号为登录号7 jg5，7 jg6，7 jg7，7 jg8，7 jg9，7 jga，7日债而且7 jgc。菌株和质粒可根据合理要求从通讯作者处获得。
参考文献
世界卫生组织。2019年全球结核病报告(世界卫生组织，2019年)。
卢，P.， Lill, H. & Bald, D.分枝杆菌中的ATP合成酶:作为药物靶点功能的特殊特征和意义。Biochim。Biophys。学报1837， 1208-1218(2014)。
Andries, K.等人。二芳基喹啉类药物，对ATP合酶有效结核分枝杆菌。科学307， 223-227(2005)。
库尔，A.等。二芳基喹啉类药物对休眠的分枝杆菌具有杀菌作用，因为ATP稳态受到干扰。生物。化学。283， 25273-25280(2008)。
世界卫生组织。基本药物的选择和使用(世界卫生组织，2019年)。
Médecins无Frontières。无国界医生组织新闻稿，https://www.msf.org.za/stories-news/press-releases/fix-patent-laws-campaign-launches-global-campaign-urging-johnson-johnson(2019)。
McNeil, m.b.， Ryburn, H. W. K.， Harold, L. K.， Tirados, J. F. & Cook, g.m. f1f0型ATP合酶的转录抑制对分枝杆菌的生存能力具有杀菌作用。Antimicrob。代理Chemother。64， e00492-20(2020)。
赵俊杰，张志刚，张志刚。v - atp酶旋转状态的电子冷冻显微镜观察。自然521， 241-245(2015)。
郭海燕，郭海燕，杨志强，杨志强。细菌ATP合成酶结构的研究。eLife8， e43128(2019)。
Preiss, L.等人。分枝杆菌ATP合酶F的结构o转子环与抗结核药物贝达喹啉配合物。科学。阿德。1， e1500106(2015)。
Zhou, A.等。低温电镜观察牛线粒体ATP合酶的结构和构象状态。eLife4， e10180(2015)。
郭海燕，郭海燕，郭海燕。线粒体ATP合成酶二聚体FO区域的原子模型。科学358， 936-940(2017)。
Hahn, A.， Vonck, J.， Mills, D. J.， Meier, T. & Kuhlbrandt, W.叶绿体ATP合酶的结构、机制和调控。科学360， eaat4318(2018)。
Sobti, M.等人。低温电子显微镜结构提供了深入了解大肠杆菌F1FoATP合酶适应对称性不匹配。Nat。Commun。11， 2615(2020)。
加杰德拉，C. S. &韦伯，J。大肠杆菌F1Fo-ATP合酶与b/δ融合蛋白可以分析单个b亚基的功能。生物。化学。288， 26441-26447(2013)。
Sobti, M.等人。自抑制的低温电镜结构大肠杆菌三种旋转状态下的ATP合成酶。eLife5， e21598(2016)。
亚伯拉罕，J. P.，莱斯利，A. G.，卢特，R. &沃克，J. E.结构在2.8 Å分辨率F1-来自牛心脏线粒体的atp酶。自然370， 621-628(1994)。
Shirakihara, Y.等。嗜热F1ε-亚基抑制- atp酶:ε-抑制机制的深入研究。2月J。282， 2895-2913(2015)。
辛戈拉尼，G.和邓肯，t.m.结构的ATP合酶催化复合体(F1)大肠杆菌在自抑制构象中。Nat。结构。摩尔。杂志。18， 701-707(2011)。
张亚婷，蒙哥马利，孟国强，张国强，张国强，张国强，张国强，张国强，张国强分枝杆菌smegmatis是开发抗结核药物的目标。国家科学院学报美国116， 4206-4211(2019)。
Ragunathan, P.等人。分枝杆菌F-ATP合成酶α亚基的独特性:生态位适应的进化变体。生物。化学。292， 11262-11279(2017)。
卢特，R.等。F1Fo-来自牛心脏线粒体的atp合成酶:纯化单分散寡霉素敏感atp酶的发展。物化学。J。295， 799-806(1993)。
库尔，A.等。二芳基喹啉类药物靶向分枝杆菌ATP合成酶c亚单位。Nat,化学。医学杂志。3.， 323-324(2007)。
哈兹，K.等。贝达喹啉的杀菌作用方式。j . Antimicrob。Chemother。70， 2028-2037(2015)。
哈兹，K.等。抗结核药物贝达喹啉的电离作用。国家科学院学报美国115， 7326-7331(2018)。
Haagsma, a.c.等人。探讨二芳基喹啉TMC207与其靶分枝杆菌ATP合酶的相互作用。《公共科学图书馆•综合》6， e23575(2011)。
Kundu, S.， Biukovic, G.， Grüber, G. & Dick, T. Bedaquiline靶向分枝杆菌F-ATP合成酶ε亚基。Antimicrob。代理Chemother。60， 6977-6979(2016)。
Lounis, N.等人。R207910 (TMC207): un nouvel antibiotic tique pour le traement de la结核菌。感染医学。40， 383-390(2010)。
Guillemont, J.， Meyer, C.， Poncelet, A.， Bourdrez, X. & Andries, K.二芳基喹啉类化合物，合成途径和定量构效关系研究导致TMC207的发现。未来医学化学。3.， 1345-1360(2011)。
Sutherland, H. S.等3,5-贝达喹啉的二氧吡啶类似物是有效的抗结核药物，对hERG通道的抑制最小。Bioorg。地中海。化学。27， 1292-1307(2019)。
Haagsma, a.c.等人。TMC207对分枝杆菌ATP合酶的选择性与对真核同源物的选择性比较。Antimicrob。代理Chemother。53， 1290-1292(2009)。
墨菲，K. C.等。ORBIT:分枝杆菌染色体基因工程的新范式。MBio9， e01467-18(2018)。
Vasanthakumar, T.等。液泡和高尔基v - atp酶的结构比较酿酒酵母。国家科学院学报美国116， 7272-7277(2019)。
Kornberg, A. & Pricer, W. E. Jr.腺苷和2,6-二氨基嘌呤核苷的酶磷酸化。生物。化学。193481-495(1951)。
Russo, C. J. & Passmore, L. A.用于电子冷冻显微镜的超稳定金衬底。科学346， 1377-1380(2014)。
梅尔森，J. R.等人。自组装的单层提高了蛋白质在多孔碳低温电镜支架上的分布。科学。代表。4， 7084(2014)。
马尔，C. R.， Benlekbir, S. & Rubinstein, J. L.碳薄膜的制备∼500 nm孔用于低温电磁与直接探测设备。j . Struct。医学杂志。185， 42-47(2014)。
Tivol, W. F, Briegel, A. & Jensen, G. J.一种用于骤降冷冻的改进低温器。Microsc。Microanal。14， 375-379(2008)。
Punjani, A.， Rubinstein, J. L.， Fleet, D. J. & Brubaker, M. A. cryoSPARC:快速无监督冷冻em结构确定的算法。Nat方法。14， 290-296(2017)。
郑世强等。MotionCor2:改进冷冻电子显微镜光束诱导运动的各向异性校正。Nat方法。14， 331-332(2017)。
彭贾尼，A.，张，H.和Fleet, d.j .非均匀细化:自适应正则化改进单粒子低温em重建。预印在https://doi.org/10.1101/2019.12.15.877092(2019)。
Scheres, S. H. W. RELION:实现贝叶斯方法来确定低温em结构。j . Struct。医学杂志。180， 519-530(2012)。
Zivanov, J.， Nakane, T. & Scheres, S. H. W.在低温em单粒子分析中光束诱导运动校正的贝叶斯方法。IUCrJ6， 5-17(2019)。
Ramírez-Aportela, E.等。基于局部分辨率的低温电磁地图自动锐化。生物信息学36， 765-772(2020)。
彼得森，E. F.等人。UCSF chimera -用于探索性研究和分析的可视化系统。j .第一版。化学。25， 1605-1612(2004)。
埃姆斯利，P. &考坦，K.库特:分子图形模型构建工具。Acta Crystallogr。D60， 2126-2132(2004)。
Croll, T. I. ISOLDE:为低分辨率电子密度图建立模型的物理现实环境。Acta Crystallogr。D74， 519-530(2018)。
亚当斯，P. D.等。PHENIX:一个全面的基于python的大分子结构解决方案系统。Acta Crystallogr。D66， 213-221(2010)。
陈，v.b.等。MolProbity:大分子结晶学的全原子结构验证。Acta Crystallogr。D66， 12-21(2010)。
巴拉德，B. A.等。EMRinger:侧链定向模型和三维冷冻电子显微镜的图谱验证。Nat方法。12， 943-946(2015)。
戈达德，t.d.等人。UCSF ChimeraX:迎接可视化和分析的现代挑战。蛋白质科学。27， 14-25(2018)。
确认
我们感谢V. Kanelis对手稿的建议。H.G.获得安大略省国际学生研究生奖学金。G.M.C.得到W. P. Caven纪念奖学金的支持。J.L.R.得到了加拿大研究讲座项目的支持。这项工作得到了加拿大卫生研究所的资助PJT162186 (J.L.R.)和PJT156261 (J.L.)。低温电镜数据在多伦多高分辨率高通量低温电镜设施收集，由加拿大创新基金会和安大略省研究基金支持。
作者信息
作者及隶属关系
贡献
j。l。r构思了这个项目并监督了研究。J.L.建议m . smegmatis细胞培养和染色体标记策略。S.A.B.准备了3×FLAG ORBIT有效载荷质粒和一个m . smegmatis在项目初始阶段使用的菌株，在J.M.通用汽车公司的帮助下制备了m . smegmatis用于结构测定和酶测定的菌株。G.M.C.和H.G.提纯了蛋白质，H.G.进行了低温电子显微镜和图像分析，G.M.C.和H.G.建立了原子模型。J.L.R, H.G.和G.M.C.撰写了手稿，并根据其他作者的输入准备了数据。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
额外的信息
同行评审信息自然感谢Clifton Barry, Damian Ekiert和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1无bdq、饱和bdq和水洗bdq - em图像分析工作流m . smegmatisATP合酶。
一个，b，显微照片示例(一个)和2D类平均图像(b)为bdq饱和m . smegmatisATP合酶。示例粒子用白色圈出。我们收集了7,691部电影(包括1,435,679张粒子图像)用于无药物状态，7,589部电影(包括1,825,672张粒子图像)用于bdq饱和状态，4,962部电影(包括1,865,961张粒子图像)用于bdq洗涤状态。c，d、获取三种转动状态映射的工作流(c)和FO区域(d）.
扩展数据图2 Cryo-EM图验证。
一个- - - - - -d，对BDQ-free数据集的整个复合体地图(一个)， bdq饱和数据集(b)和经过bdq洗涤的数据集(c)，以及FO-来自集中细化的区域映射(d）.
扩展数据图3图中模型适合演示地图质量的示例。
一个，b，无bdq模型的每个亚单元都给出了例子(一个)和bdq饱和模型(b）.
图4来自不同生物的亚基a和b -δ的比较。
一个,芽孢杆菌PS3的子单元a是灰色的m . smegmatis亚单位a是绿色的。b,大肠杆菌亚基a是紫色的m . smegmatis亚单位a是绿色的。c， b -δ融合蛋白的δ区(右上)的n端结构域比的n端结构域大得多芽孢杆菌PS3 δ-亚基(右侧，中间)，由大约270个残基而不是大约170个残基组成。这一额外的序列为α-螺旋的6个贡献了5个芽孢杆菌PS3 δ-亚基，在b -δ的n端畴中共有11个α-螺旋(图2)。1 b,底部)。分枝杆菌smegmatisb -δ和芽孢杆菌PS3 δ也与α-亚基的n端序列形成不同的相互作用，这些α-亚基有助于将外围柄附着在F上1区域(右侧，红色)。
图5在旋转态2中可以看到α-扩展体的两种构象。
α-延伸的主要构象的密度为粉红色，替代构象的密度为红色。
图6 bdq冲刷构造为bdq饱和构象。
bdq -饱和蛋白模型在BDQ-washed图中的拟合表明，两种制剂采用相同的构象。
补充信息
补充表1
Cryo-EM数据收集、优化和验证统计。该文件包括补充表2-4和补充图1-2。
视频1
ATP合成过程中抑制α延伸的释放。该视频显示了酶的不同旋转状态之间的插值，包括旋转状态2的替代构象，这表明在ATP合成过程中α-延伸释放和α-延伸结合到γ亚单位抑制ATP水解期间发生的事件顺序。视频可以作为循环观看。
视频2
BDQ与分枝杆菌ATP合酶结合。视频显示了ATP合酶在无bdq和bdq结合状态下的构象之间的插值。BDQ在先导结合位点、仅c结合位点和滞后结合位点上分别被标记为粉色、黄色和蓝色。c亚基中的Phe69和a亚基中的Phe221在药物结合时发生了较大的构象变化，显示为空间填充模型。视频可以作为循环观看。
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郭，H.，柯邦，g.m.， Bueler, S.A.et al。分枝杆菌ATP合酶与结核药物贝达喹啉结合的结构。自然589， 143-147(2021)。https://doi.org/10.1038/s41586-020-3004-3
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