天然抗菌物质“剑指”耐药结核

桃子妖妖

自青霉素问世之后的80年来,我们依赖各种抗生素抵挡细菌的侵袭。但随着耐药菌不断涌现,这个堡垒正变得岌岌可危。以结核病为例,据WHO估计,仅2006年就有170万人死于结核病。同时,耐药菌株使利福霉素疗效大打折扣。开发对耐药菌感染有效的抗生素迫在眉睫。
    最近,三种由黏细菌(myxobacteria)产生的抗菌物质myxopyronin、corallopyronin和ripostatin引起广泛关注。在体外研究中,它们对包括耐药结核菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)在内的多种细菌表现出极强活性。这三种物质在上世纪80-90年代就被分离出来,但因人们未能探明它们的抗菌作用机制而被束之高阁。
     要将大自然的馈赠升华为可人工合成的药品,首先需解开的谜团是:它们如何攻破了耐药菌的铜墙铁壁?近日,来自美国罗格斯大学和德国赫尔姆霍茨感染研究中心的科学家初步揭示了myxopyronin(myx)独特的作用位点和机制,为基于此类天然物质合成广谱高效抗生素迈出破冰一步。该成果发表在2008年10月17日《细胞》杂志上[Cell 2008,135(2):295]。
     RNAP有两个蟹钳状结构域,“蟹钳”可围绕底部“开关区”进行30°旋转而处于闭合(A)或开放(B)状态。“蟹钳”开放时允许DNA进入并与催化槽相结合(C),然后闭合将DNA关闭在内(D)。此时启动子融合,转录过程开始。Myx 与“开关区”结合后,阻止“蟹钳”开放,使DNA不能结合(E)。
    第一步 剖析靶点结构
     Myxopyronin、corallopyronin和ripostatin的作用靶点是细菌的RNA聚合酶(RNAP)。对于抗生素研发人员,这是个很理想的靶点。首先,它是遗传转录过程中必需的酶,是细菌繁殖过程的关键一环。其次,RNAP由各个亚单位构成,很可能包含多个小分子结合位点。此外,即使是最保守的亚单位,仍在细菌与真核细胞间有足够差异,使药物可以特异性地作用于细菌。
     细菌RNAP呈蟹钳样结构(见上图),“蟹钳”打开时允许DNA进入并与催化槽结合,然后合拢将DNA关闭在内。这可能与启动子融合过程同时进行,继而转录开始。操纵“蟹钳”开关的铰链由“开关区”(switch region)基因编码。
    第二步 锁定结合位点
     研究者筛选出125个耐myx大肠杆菌菌株,从中发现了RNAP“开关区”内13个独特残基,其中任何一个突变均破坏myx结合,导致菌株耐药。这提示“开关区”是myx的结合部位。myx通过抑制“蟹钳”的开合发挥变构效应,具有一种不同于现有抗生素的独特机制。
     有趣的是,所有13个残基在不同细菌的RNAP中都是保守(即高度相似)的,这可以解释myx对G+和G-菌的广谱抗菌活性。其中3个残基在真核细胞RNAP中不保守,允许myx特异性地作用于细菌。
     第三步 探索作用机制
    在一系列体外研究中,研究者发现,只有先加myx、后加启动子DNA时,myx才能抑制启动子融合,反之则没有作用。并且,如果启动子缺乏DNA双链区,myx也不能发挥作用。这提示myx可将“蟹钳”锁定于关闭或半关闭状态,使之不能容纳DNA双链。
    Corallopyronin和ripostatin的作用模式可能与myx相似。事实上,如果某个大肠杆菌菌株对这三种物质中的一种耐药,几乎对另两种也都耐药。
     自然界产生的抗菌物质为什么“偏好”攻击RNAP集中构象改变的位点?答案不得而知,但作为RNAP不同结构域之间的关节,这些位点或许恰似盔甲中的裂缝,成为利剑易于刺入的薄弱环节。
     结 语
     该成果是20年来细菌RNAP相关研究的最新篇章。明确myx-RNAP结构和作用机制后,我们就有可能对myx的结构进行修饰,增强它对RNAP的亲和力和作用效果,合成广谱高效的抗生素,使致死性感染患者重获生机。