抗菌藥物新靶位

陳盈盈，張玉彬，顧覺奮

·綜述·

抗菌藥物新靶位

陳盈盈，張玉彬，顧覺奮

近年來，由于過度使用抗生素，特別是濫用抗生素，病原菌日益廣泛的耐藥性已成為藥物治療中越來越常見的問題[1]。為了克服細(xì)菌的耐藥性，特別是多重耐藥性問題，人們需要運(yùn)用新的思路去發(fā)掘新的抗生素，因此，探索新型抗菌機(jī)制已成為目前的迫切需要。本文綜述了近幾年發(fā)現(xiàn)的抗菌藥物的新靶位，分別從作用于細(xì)菌（真菌）細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、RNA 聚合酶、胞內(nèi)代謝及調(diào)控等 4 方面來談抗菌藥物的新作用靶位。

1　細(xì)胞壁

肽聚糖（peptidoglycan）是構(gòu)成細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分，革蘭陽性和陰性細(xì)菌中都含有肽聚糖結(jié)構(gòu)，因此肽聚糖的生物合成途徑成為開發(fā)廣譜抗菌藥物的研究熱點(diǎn)。

D-丙氨酸是細(xì)菌細(xì)胞壁中肽聚糖結(jié)構(gòu)的組成成分，主要存在于二肽 D-丙氨酰-D-丙氨酸中，D-丙氨酸直接參與相鄰肽聚糖鏈的交聯(lián)。在原核生物中，D-丙氨酸的主要合成途徑是通過丙氨酸消旋酶（Alr）催化 L-丙氨酸轉(zhuǎn)化而來[2]。

催化肽聚糖合成的胞漿步驟的酶包括烯醇丙酮轉(zhuǎn)移酶MurA、黃素依賴還原酶 MurB 和 ATP 依賴的連接酶MurC、MurD、MurE 和 MurF，通過這些酶的作用，為UDPMurNAc 乙?；鶄?cè)鏈添加 L-丙氨酸、D-谷氨酸、內(nèi)消旋二氨基庚二酸（M-DAP）或 L-賴氨酸、D-丙氨酸-D-丙氨酸二肽，生成 UDPMurNAc-五肽，之后移位酶 MraY 和糖基轉(zhuǎn)移酶 MurG 催化 UDPMurNAc-五肽轉(zhuǎn)化為脂質(zhì)中間體 I 和 II。

某些革蘭陽性菌酶，如金黃色葡萄球菌 FemABX 酶以甘氨酰-tRNA 為底物，增加 5個甘氨酸殘基，參與肽交聯(lián)；肺炎鏈球菌 MurM 和 MurN 連接酶分別向脂質(zhì)中間體 II添加 Ala/Ser 和 Ala。雖然這些酶不是廣譜抗菌的靶位，但這些酶的抑制劑可能用于與青霉素協(xié)同治療耐青霉素病原體。

李冬和李卓榮[3]報道，5-氨基-呋喃糖苷衍生物大多有抗分枝桿菌的活性，也可以有效抑制丙氨酸消旋酶，其最低抑菌濃度為 3112 μg/ml。Sova 等[4]發(fā)現(xiàn) 1-（4-甲氧苯基磺酰氨基-）3-嗎啉丙烷-2-磷酸二氫（圖 1），是目前為止最好的MurE 連接酶抑制劑，其 IC50為 6 μmol/L。其他作用于肽聚糖生物合成途徑的靶點(diǎn)及其抑制劑如表 1 所示。

2　細(xì)胞膜

細(xì)菌中 FASII 系統(tǒng)的單功能酶已成為基因組驅(qū)動的新型抗菌藥物靶標(biāo)研究的熱點(diǎn)[5]。以大腸桿菌為例，細(xì)菌脂肪酸生物合成（fatty acid biosynthesis，F(xiàn)ab）的途徑如圖 2 所示。FabH 和 FabI 與相應(yīng)的人類酶相比，缺乏總的序列的同源性，因此成為抗菌藥物極好的靶位[6]。

圖1　1-(4-甲氧苯基磺酰氨基)-3-嗎啉丙烷-2-磷酸二氫

表1　肽聚糖生物合成酶抑制劑的效力（IC50）和抗菌活性（MIC）

FabH 介導(dǎo)乙酰輔酶 A 和丙二酰 ACP 縮合形成β-酮?；?ACP，是催化脂肪酸合成碳鏈延長循環(huán)的起始因子，這一調(diào)控步驟在確定 FASII 途徑產(chǎn)生的脂肪酸量也起到了關(guān)鍵作用。FabI 是細(xì)菌脂肪酸生物合成中必需的酶，其催化反式-2-烯酰-ACP 還原為?；?ACP，為延伸循環(huán)的最后步驟，也是限速步驟。

張學(xué)輝等[7]報道了關(guān)于 FabH 的相關(guān)抑制劑。Wen 等[8]從 46 種新合成的 1,6 二取代吲哚 2-羧酸類似物中篩選得到 WIUAKP-001，對 FT-FabH 酶抑制的 IC50為 2 μmol/L，WIUAKP-031 和 WIUAKP-056 對 FT-FabI 酶抑制活性的IC50分別為 6 μmol/L 和 7 μmol/L（表 2）。

3　RNA 聚合酶

細(xì)菌的 RNA 聚合酶（RNAP）內(nèi)轉(zhuǎn)化區(qū)是一個新發(fā)現(xiàn)的藥物靶標(biāo)，作用于此靶位的酶抑制劑不存在和其他抗菌藥物交叉耐藥的現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)換區(qū)是一個結(jié)構(gòu)元件，在轉(zhuǎn)錄起始階段，DNA 加載到 RNA 聚合酶活躍的中心裂縫時，介導(dǎo) RNA 聚合酶構(gòu)象的變化[9-11]（圖 3）。轉(zhuǎn)化區(qū)位于 RNA 聚合酶鉗夾的底部，是鉸鏈調(diào)節(jié) RNA 聚合酶的開關(guān)。當(dāng) DNA 要加載到RNA 聚合酶活躍的中心裂縫時，鉗夾打開，當(dāng) DNA 停留在 RNA 聚合酶裂縫中心時，鉗夾關(guān)閉。轉(zhuǎn)換區(qū)共有 5 部分，分別被稱為“轉(zhuǎn)換 1”到“轉(zhuǎn)換 5”，它們局部構(gòu)象的改變可以調(diào)控鉗夾的開啟和閉合（圖 3B）[12]。在 RNA 聚合酶裂縫中心，轉(zhuǎn)換 1、2、3 可以直接接觸已展開的 DNA模板鏈[13]。

4 個和轉(zhuǎn)換區(qū)結(jié)合的天然產(chǎn)物已被確定，均具有抑制細(xì)菌 RNA 聚合酶活性，并表現(xiàn)出廣譜抗菌活性，它們分別是：myxopyronin（Myx）、corallopyronin（Cor）、ripostatin（Rip）和 lipiarmycin（Lpm）（表 3）[14]。根據(jù) Myx/Cor/Rip 作用靶位，目前已篩選出 3 種新型的結(jié)構(gòu)不相關(guān)的 RNA 聚合酶抑制劑。

4　胞內(nèi)調(diào)控作用

圖2　大腸桿菌脂肪酸的生物合成途徑

表2　酶抑制劑 WIUAKP-001、WIUAKP-031 和 WIUAKP-056 的結(jié)構(gòu)和作用靶位

大多原核生物采用一種類似的機(jī)制—“雙組分系統(tǒng)”調(diào)控蛋白質(zhì)磷酸化，進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。迄今為止，此種機(jī)制尚未在高等真核生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)。“雙組分系統(tǒng)”的核心通常由兩個蛋白組成。一是組氨酸蛋白激酶（HK）。通常它是一個跨膜蛋白，結(jié)構(gòu)可分為 3 部分，自 N 端到 C 端依次為配體（信號）結(jié)合部位，為高度可變區(qū)；組氨酸自身磷酸化位點(diǎn)，分子構(gòu)象為二聚體；ATP 結(jié)合的激酶功能區(qū)，內(nèi)含 N、G1、F、G2 等 4 個保守的基序（motif）。另一個蛋白為反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白（RR），是一個胞質(zhì)蛋白。結(jié)構(gòu)上分為兩部分，N 端含有能接受磷酸基團(tuán)的天冬氨酸位點(diǎn)，相對保守，為調(diào)控區(qū)域；C 端為效應(yīng)區(qū)，序列高度可變，含有多個可與不同的 DNA 序列特異性結(jié)合的位點(diǎn)。

圖3　RNA 聚合酶夾子和 RNA 聚合酶轉(zhuǎn)化區(qū)[A：RNA 聚合酶鉗夾的構(gòu)象狀態(tài)（兩個正交視圖）[12]。RNA 聚合酶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出開放（黑色），半封閉（淺灰色），并完全封閉（灰色）構(gòu)象。實(shí)線圈代表轉(zhuǎn)換區(qū)，虛線圈為利福霉素的結(jié)合位點(diǎn)，實(shí)線圈與虛線圈之間的黑點(diǎn)為 Mg2+的活性中心；B：RNA 聚合酶轉(zhuǎn)化區(qū)構(gòu)象的立體視圖。RNA 聚合酶轉(zhuǎn)換 1 和轉(zhuǎn)換 2 的結(jié)構(gòu)開放（黑色），半封閉（淺灰色），全封閉（灰色）鉗夾構(gòu)象?；疑綁K為轉(zhuǎn)換 1 和轉(zhuǎn)換 2 與 RNA 聚合酶主體的連接點(diǎn)。黑、淺灰、灰色圓圈分別表示轉(zhuǎn)換 1 和轉(zhuǎn)換 2 與 RNA 聚合酶鉗夾的連接點(diǎn)]

表3　作用在 RNA 聚合酶轉(zhuǎn)換區(qū)的 RNA 聚合酶抑制劑的活性

圖4　幾種蛋白激酶抑制劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)

當(dāng)外界信號作用于組氨酸蛋白激酶的膜外配體結(jié)合區(qū)時，激活了激酶的 ATP 結(jié)合部位、水解 ATP 為 ADP，并將 ATP 的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到激酶上的組氨酸位點(diǎn)，使其發(fā)生自身磷酸化。隨后，反應(yīng)調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控區(qū)域能與磷酸化的組氨酸蛋白激酶相互作用，將激酶上的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到自身的天冬氨酸位點(diǎn)上，發(fā)生自身磷酸化，并能激活效應(yīng)區(qū)，使其構(gòu)象改變，暴露不同的 DNA 結(jié)合位點(diǎn)，結(jié)合不同的DNA 序列，產(chǎn)生一系列的調(diào)控反應(yīng)。針對作用在組氨酸激酶的作用靶點(diǎn)，歸納近幾年其有效的抑制劑如圖 4 和表 4所示。

表4　幾種蛋白激酶的作用機(jī)制及其抑制劑

5　結(jié)論

細(xì)菌的耐藥性及交叉耐藥性日益嚴(yán)重，尋找新型作用機(jī)制的抗菌藥物，發(fā)現(xiàn)新作用靶點(diǎn)及其有效的抑制劑是今后抗生素藥物發(fā)展的一個重要方向。如上介紹了 4 種類型的作用靶位及其靶酶抑制劑，這些潛在藥物目前大多仍處于對先導(dǎo)物優(yōu)化的起始研究階段，但人們對這些針對細(xì)菌耐藥性的新思路及其發(fā)展前景充滿信心。通過研究抗菌藥物新靶位，推出新的高效抗菌藥物，將為人類重大疾病提供突破性治療。

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DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2012.04.011

作者單位：210009 南京，中國藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

通訊作者：顧覺奮，Email：yqyan1@126.com

收稿日期：2012-03-05