林炜教授团队揭示结核分枝杆菌药物靶标谷氨酰胺合成酶催化乙醇胺底物识别的分子机制

2026年7月16日，南京中医药大学医学院、附属南京医院林炜教授团队与中山大学药学院巫瑞波团队合作在Communications Biology （中科院一区）发表题为Molecular basis of glutamine synthetase mediated utilization of ethanolamine from Mycobacterium tuberculosis的研究论文（图1）。

该研究揭示了结核分枝杆菌的四种谷氨酰胺合成酶（GS）具有不同的寡聚体组装形式，并对多种氮源底物表现出不同的偏好性，揭示了MtbGS3催化底物乙醇胺的独特分子基础。这项工作增进了对结核分枝杆菌在特殊生境下生存策略的理解，为开发精准靶向GS的抗结核药物奠定了分子基础。

结核分枝杆菌属于典型的胞内寄生菌，巨噬细胞是机体抵抗该菌感染的核心效应细胞，可通过调控胞内活性氧、氨及胺类代谢通路启动宿主防御。而结核分枝杆菌能够持续感染宿主，核心生存优势在于两大特性：一是有效抑制巨噬细胞的宿主防御机制，二是在宿主营养匮乏的胞内微环境中长期持留存活。

GS是细菌氮代谢通路的关键核心酶，其经典生物学功能是以ATP供能，催化氨分子对谷氨酸发生酰胺化反应合成谷氨酰胺，以此维持胞内氮源稳态，适应多变生存环境。目前已有研究证实巨噬细胞内富集多胺（精胺、亚精胺、尸胺、腐胺）与单胺（乙醇胺）等胺类物质，但结核分枝杆菌利用宿主胞内各类胺类氮源的分子机制尚不清晰。

鉴于GS对结核分枝杆菌维持氮平衡必不可少，本研究提出科学假说：结核分枝杆菌GS除利用氨作为优先氮源外，还可催化胺类物质完成氮代谢利用。另一方面，GS 广泛存在于各类生命体中，且承担不可替代的生理功能，已成为抗菌药物研发的潜在靶点，例如除草剂草铵膦便是典型成功例子，该化合物可抑制植物GS活性，同时对大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌及结核分枝杆菌均具有显著抑制效果。

但现阶段针对结核分枝杆菌GS的分子特性、三维结构解析工作仍存在大量空白，既无法阐明其不同同工酶之间的功能分化分子机制，也严重制约了靶向GS新型抗结核抑制剂的分子设计、结构优化与改造工作。

该研究利用冷冻电镜（Cryo-EM）解析了结核分枝杆菌中尚未被研究的三种GS（MtbGS2、MtbGS3、MtbGS4）高分辨率结构。与MtbGS1采用同源十二聚体结构不同的是，这三种酶分别呈现独特的十四聚体、六聚体及十聚体组装形式，结果对长期以来普遍接受的细菌GS都是十二聚体模型提出了挑战。

并且该研究发现四种GS均可催化多胺和单胺类底物，其中MtbGS3利用关键氨基酸残基与乙醇胺发生相互作用，展现出极高的催化效率。通过量子力学/分子力学模拟发现乙醇胺可在MtbGS1与MtbGS3的独特活性中心形成稳定结合构象，契合催化反应的最优作用模式；而MtbGS2与MtbGS4因自身结构缺陷及ATP结合模式不利，对该底物的结合效率欠佳。

以上结果表明，不同 GS具有底物识别可塑性，特别是在乙醇胺代谢功能上差异尤为显著。系统发育分析发现不同放线菌都具有多种GS同工酶且分布在不同进化分支，其中MtbGS4与真核生物GS具有显著进化相关性及同源十聚体结构组装的相似性，这一模式与分枝杆菌对不同生态位的适应性进化相一致。

综上所述，该研究工作创新性地阐明了结核分枝杆菌GS介导的氮源利用的分子基础，特别是阐明了MtbGS3对乙醇胺偏好的分子机制（图2）。

图2 结核分枝杆菌MtbGS3催化乙醇胺代谢的模式图

江苏省防痨协会基础专委会副主任委员/南京中医药大学林炜教授、青年教师陈园、史婧副教授、中山大学药学院巫瑞波教授为共同通讯作者；南京中医药大学青年教师陈园、博士生高翡及中山大学药学院余涛为共同第一作者。本研究获得了国家重点研发计划（2023YFC2308200）、国家自然科学基金（32570222、32270037、82311530689、32270192）、江苏省“青蓝工程”、江苏省高校基础科学（自然科学）研究计划（23KJB180021）、微生物代谢国家重点实验室开放基金（编号：MMLKF25-12）以及南京鼓楼医院科技成果转化专项基金（202404）等项目资助。

原文链接： https://www.nature.com/articles/s42003-026-10679-x