华人科学家汪俊领导的科研组发现新型抗菌素(2)

2007-01-10 18:12:53 　 【大 中 小】 发表评论

　　

　　阻断“乒乓”反应的新型抗生素

　　 对现今使用的抗生素，致病性细菌几乎都已产生出抗药性，尤其是一些革兰氏阳性菌，如葡萄球菌（staphylococci）和肠球菌（enterococci），它们会导致肺炎以及其他一些致命性疾病。这个现象的出现源于“超级毒菌”（superbug）的发现，它们具有多种药物的抗药性，甚至能抵抗万古霉素（vancomycin；一种被认为是对付革兰氏阳性菌的杀手锏）(Weigel et al., 2003)。在过去的40年中，仅有两类新抗生素实现了临床应用：力耐唑（linezolid；一种恶唑烷酮（oxazolidinone）(Ford et al., 2001)）和达托霉素（daptomycin；一种脂肽(LaPlante and Rybak, 2004)）。但靶向的微生物生理过程非常狭隘，仅仅针对细胞壁、DNA或蛋白质的合成等，并没有走出上世纪四五十年代抗生素的基本设计模式。正是抗生素机理研究的缺乏使得致病菌广泛产生抗药性，一种新模式抗生素的发现急不可待。

　　 生物学家汪俊非常重视抗生素设计过程中新靶点的发现，“在已发现的靶点上进行改进，可以增强药物效能，但你很有可能无法解决靶点的抗药性问题。新靶点就可以很好解决这个问题。”正是基于这个思路，Merck的研究者在Nature (Wang et al., 2006)中发表报告称，一种新抗生素可以靶向细菌脂肪酸合成过程中起关键作用的酶，进而遏制细菌的抗药性，而且还可有效地杀死革兰氏阳性细菌中葡萄球菌和肠球菌等具有广泛抗药性的致病菌。

　　 由生物学家汪俊和天然产物化学师Sheo B. Singh共同领导的Merk研究小组(Wang et al., 2006)，结合细菌遗传学、生物化学、药理学和结构生物学的研究技术，从25万个天然产物的提取物中筛选得到一个可以直接靶击细菌脂肪酸生物合成的化合物（由南非土壤样本中分离得到的放线菌Streptomyces platensis合成），并将之命名为平板霉素（platensimycin）。

　　 脂肪酸是一种具有较长碳氢链（8-18个碳原子连接）的有机酸，是细胞膜和细菌表面的重要组成部分。在脂肪酸碳链的延伸过程中，需要一台生物合成机器来实现，不断地使其一次连接上两个碳原子。平板霉素的靶标正是这个机器的关键酶成分：β－酮脂酰－酰载体蛋白（β-ketoacyl-ACP）合成酶，另名为FabF（生命经纬备注：共有两种酶参与催化脂肪酸链延伸二碳单元的过程）。FabF酶介导着一个含催化性循环的反应（见图1）。首先，待延伸碳链的脂肪酸从酰载体蛋白（acyl carrier protein；ACP）上转移到FabF上，即通过半胱氨酸残基结合到酶上，形成一种短暂的酰基－酶中间产物（acyl–enzyme intermediate）(Price et al., 2003)。连接有丙二酰（malonyl）基团的ACP，即丙二酰ACP，结合到FabF酶上，释放出CO2，形成一种活性二碳单元。这种活性单元吸引了酰基－酶中间产物，最终实现脂肪酸的碳链延伸。酶学专家（enzymologist）将这个系列的反应描述为“乒乓”（ping-pong）：第一个底物“乒”(ping)进入活性位点，第一个产物“乓”(pang)从中得到，整个过程伴有酶构型的改变，第二个底物也像第一个那样继续进行反应，产物就是β－酮脂酰－酰载体蛋白。

　　 在研究过程中，汪俊研究组首先构建了工程菌Staphylococcus aureus (Young et al., 2006)，从而利用控制反义RNA分子的合成，来实现严格控制FabF的表达量。通过这个设计，他们可以让细胞对作用于FabF酶的抗生素的敏感性增强。增加细菌的敏感性可以便于他们检测天然产物提取物中浓度极低的一些化合物。此外他们研究组建立的一系列生化手段对平板霉素的发现、生化鉴定及机理分析都起到非常关键的作用(Kodali et al., 2005)。

　　 另外，从“乒乓”反应过程可以看出，脂肪酸－ACP和丙二酰－ACP的加入是需要严格控制的。汪俊等人(Wang et al., 2006)提供了非常令人振奋的实验结果，揭示平板霉素只会结合酰基－酶中间产物。但是这种中间产物寿命很短，以千分之一秒来计算，非常难观察到。为克服这个困难，研究者制造了一种模拟的酰基－酶中间产物，他们准备了一个FabF酶的突变体，即活性位点的半胱氨酸残基用谷氨酰胺来替换。用谷氨酰胺的侧链的化学基团来模仿脂肪酸。突变酶与平板霉素间形成很强的亲和力，并得到“FabF突变体－抗生素”复合物的高清晰晶体结构。这个结构直观地揭示了酰基－酶中间产物的形成会伴有结构上的改变。

　　 FabF是脂肪酸合成通路中的一个关键酶并在所有的病源菌中表达，非常重要。作为一种新型抗生素，平板霉素有着独特的作用机制，但是它并非是研究者们第一个发现的可以阻止细菌脂肪酸生物合成的抗生素(Campbell and Cronan, 2001; Heath et al., 2002)。异烟肼（Isoniazid）和三氯沙（triclosan）也是针对这条通路的化合物。异烟肼与其他抗生素结合使用可以治疗结核（tuberculosis），而三氯沙则广泛应用在肥皂和塑料中。另外，从真菌中获得的浅蓝菌素（cerulenin）和硫乳霉素（thiolactomycin）同样也有着类似于平板霉素在细菌中的抑制作用。但没有一种由这些真菌得到的化合物可以达到新抗生素应该有的高标准。制药公司也因此不断从抗细菌的药物研究上撤资，投注于发展更快、市场前景更看好的慢性疾病治疗研究领域(Projan, 2003)。当听到Merck公司的研究者们开发出平板霉素之后，该领域的科学家们都备受鼓舞。


　　 尽管该抗生素离真正实现临床应用还有很长的路要走，如临床前的研究，扩大的临床试验（安全性和效能检测），而且该化合物在体内很快被清除的弱点也需要加以克服，平板霉素仍是至今为止发现的对FabF最为有效的抑制剂，足以促其成为一项激动人心的发现。