以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的抗菌天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展

馬思提，魏國棟，劉　慧，何方正

(山東中醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校，山東煙臺250019)

以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的抗菌天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展

馬思提，魏國棟，劉慧，何方正

(山東中醫(yī)藥高等專科學(xué)校，山東煙臺250019)

摘要:抗生素的濫用導(dǎo)致世界范圍內(nèi)細(xì)菌耐藥性的出現(xiàn)和流行。許多臨床上本來起作用的抗生素失效，這為細(xì)菌感染性疾病的治療帶來了巨大困難。近年來研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白細(xì)絲溫度敏感蛋白Z(FtsZ)在細(xì)胞分裂中發(fā)揮著重要的作用，它被認(rèn)為是一個(gè)非常有潛力的抗菌藥物靶點(diǎn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一些抗菌天然產(chǎn)物作用于該靶點(diǎn)。本文主要闡述FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)和功能，以及一些以細(xì)絲溫度敏感蛋白Z蛋白為靶點(diǎn)的抗菌天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展，以期為研發(fā)新型抗菌藥物提供基礎(chǔ)。

近年來，因長期過度使用抗菌藥物，細(xì)菌耐藥性問題日益突出。新型抗菌藥物的研發(fā)已成為當(dāng)今新藥開發(fā)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白細(xì)絲溫度敏感蛋白Z(FtsZ)在細(xì)胞分裂中發(fā)揮重要作用，被認(rèn)為是一個(gè)非常有潛力的抗菌藥物靶點(diǎn)［1］。越來越多的研究集中于發(fā)現(xiàn)作用于該靶點(diǎn)的抗菌化合物。

1　FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)和功能

FtsZ是由ftsZ基因編碼的一種重要的細(xì)菌細(xì)胞分裂蛋白，它的全稱為細(xì)絲溫度敏感蛋白Z(filamentous temperature －sensitive protein Z，F(xiàn)tsZ)。它幾乎存在于所有的真細(xì)菌、古細(xì)菌和葉綠體里。1991年FtsZ蛋白被發(fā)現(xiàn)是在細(xì)菌細(xì)胞分裂時(shí)第一個(gè)到達(dá)細(xì)胞中間裝配成一個(gè)Z環(huán)并促使細(xì)胞完成分裂的蛋白質(zhì)。基于FtsZ蛋白在細(xì)胞分裂方面發(fā)揮的不可或缺的作用，能夠干擾FtsZ功能的化合物被引起關(guān)注［2］。研究發(fā)現(xiàn)，一些常見的抗菌植物中的有效成分都可以通過干擾此蛋白的正常生理功能而發(fā)揮抗菌作用，如姜黃素等，這些化合物被認(rèn)為是研發(fā)抗耐藥菌非常有潛力的先導(dǎo)化合物。此綜述主要報(bào)道這些以FtsZ為靶點(diǎn)的抗菌天然產(chǎn)物的研究情況。

FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)是在1998年通過多重同晶置換等方法確認(rèn)的。它具有與真核細(xì)胞微管蛋白類似的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是微管蛋白的類似物。FtsZ蛋白有一個(gè)和鳥苷三磷酸(GTP)有關(guān)的N端區(qū)域和一個(gè)具有類似微管T7環(huán)的C端區(qū)域。這兩個(gè)末端區(qū)域以類似于微管蛋白的末端區(qū)域聯(lián)系的方式通過一個(gè)α－螺旋聯(lián)系在一起，如圖1所示［3］。而且，F(xiàn)tsZ蛋白的折疊方式也和微管蛋白的相同。此外，F(xiàn)tsZ蛋白的氨基酸序列的一小部分GGGTGTG幾乎和微管蛋白的G/AGG TGSG完全相同。但事實(shí)上，雖然FtsZ蛋白是微管蛋白的類似物，F(xiàn)tsZ蛋白和微管蛋白之間也還存在很多差異。例如，F(xiàn)tsZ蛋白是由一種類型的亞基組成，而微管蛋白卻是由不同類型的亞基(α－和β－亞基)組成; FtsZ亞基是在GTP存在的情況下聚合成直的寬5 nm的原絲，然后橫向聯(lián)系，隨著GTP的水解，直的原絲形成彎曲的構(gòu)象，而微管蛋白的原絲是通過縱向聯(lián)系而形成一個(gè)弧形的二聚體［4］。已有實(shí)驗(yàn)證明，一些化合物的作用靶點(diǎn)只針對FtsZ蛋白，而對真核細(xì)胞的微管蛋白無作用。

細(xì)胞分裂時(shí)，F(xiàn)tsZ蛋白是第一個(gè)到達(dá)細(xì)胞中央分裂位點(diǎn)的細(xì)胞分裂蛋白。緊接著，在GTP的存在下，F(xiàn)tsZ蛋白聚合裝配成Z環(huán)。Z環(huán)作為一個(gè)骨架來招募其他至少12種細(xì)胞分裂蛋白共同形成一個(gè)分裂復(fù)合體，這個(gè)分裂復(fù)合體能夠引起細(xì)胞膜的收縮［5］。最終，一個(gè)隔膜在細(xì)胞中間形成，緊接著，通過水解細(xì)菌細(xì)胞中間隔膜里的肽聚糖使得兩個(gè)新生的細(xì)胞分開。當(dāng)FtsZ蛋白的裝配不能正常進(jìn)行，Z環(huán)的形成也會消失。即使DNA復(fù)制和擬核分離功能正常，細(xì)菌細(xì)胞也只能伸長或增大而不能正常的分裂，最后導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡。因此，開發(fā)以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的抗菌藥物是一個(gè)非常有前途的研究方向。

圖1　FtsZ蛋白的結(jié)構(gòu)示意圖

2　抗菌天然產(chǎn)物

2.1綠垂毒素綠垂毒素(Viriditoxin)是通過FtsZ蛋白的熒光聚合實(shí)驗(yàn)從100 000多種微生物發(fā)酵液和植物的提取物中篩選出來的一種以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的抗菌天然產(chǎn)物。綠垂毒素顯示了廣譜的抗菌活性，包括與臨床有關(guān)的革蘭陽性致病菌。它對多種類型的甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌(MSSA)和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)的最小抑菌濃度(MIC)均在4～8 μg·mL－1之間，對萬古霉素敏感的乳酸菌(VSE)和萬古霉素耐藥的乳酸菌(VRE)的MIC在2～16 μg·mL－1之間。研究發(fā)現(xiàn)，它可以阻礙FtsZ蛋白的聚合(半數(shù)抑制濃度IC50值為8.2 μg·mL－1)，也可以抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性(IC50值為7.0 μg·mL－1)，然而它不影響真核細(xì)胞的生存能力。目前，(－)－Viriditoxin已經(jīng)通過合成的方法獲得，這有利于以綠垂毒素為先導(dǎo)化合物，進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾［6］，開發(fā)新的抗菌藥物，對抗細(xì)菌耐藥性問題。

圖2　綠垂毒素

2.2肉桂醛肉桂醛(Cinnamaldehyde)是一種從香料肉桂(Cinnamomum cassia)中提取出來的能夠抑制蠟狀芽孢桿菌細(xì)胞分裂的天然產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)式見圖3。細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)肉桂醛能夠減少FtsZ蛋白的裝配反應(yīng)和捆扎。細(xì)胞的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它能夠破壞細(xì)胞內(nèi)Z環(huán)的正常形態(tài)。肉桂醛抑制FtsZ蛋白聚合的IC50為6.86 μmol·L－1，抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性的IC50為5.81 μmol·L－1。肉桂醛的作用靶點(diǎn)是在FtsZ蛋白的C端區(qū)域中的T7環(huán)上。它的抗菌活性較差，如抗大腸桿菌和枯草芽孢桿菌的MIC值分別為1 000 μg·mL－1和500 μg·mL－1，而且肉桂醛本身的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，很容易氧化變質(zhì)［7］。由此可見，肉桂醛本身是無法作為抗菌藥物使用的。

圖3　肉桂醛

2.3血根堿血根堿(Sanguinarine)是一種從血根草(Sanguinaria canadensis)的根莖中提取出來的一種苯菲啶類生物堿，其結(jié)構(gòu)式見圖4。它能夠強(qiáng)烈地誘導(dǎo)革蘭陽性和革蘭陰性細(xì)菌產(chǎn)生絲化現(xiàn)象，也就是通過抑制胞質(zhì)分裂來阻止細(xì)菌的細(xì)胞分裂而不擾亂細(xì)菌的膜結(jié)構(gòu)。血根堿抑制胞質(zhì)分裂是通過抑制細(xì)胞動力學(xué)Z環(huán)的形成而不影響擬核的分配。在體外它能夠抑制FtsZ蛋白的裝配，減少FtsZ蛋白的原絲捆扎。它對革蘭陽性和革蘭陰性菌均有抗菌活性，抗枯草芽孢桿菌和野生型大腸桿菌的IC50值分別為1.0 μg·mL－1和4.6 μg·mL－1。但是，它也被發(fā)現(xiàn)對真核細(xì)胞的微管也有一定的抑制作用，所以在發(fā)展血根堿為抗菌藥物存在一個(gè)潛在的缺陷，即對人體可能會產(chǎn)生較大的副作用［8］，但仍可以它為先導(dǎo)化合物設(shè)計(jì)合成新的抗菌活性增強(qiáng)和副作用降低的衍生物。

圖4　血根堿

2.4桃陀酚桃陀酚(Totarol)是一種從桃陀羅漢松(Podocarpus totara)中提取的二萜酚類化合物，它能夠抑制包括結(jié)核分枝桿菌在內(nèi)的若干種致病的革蘭陽性菌的增殖，其結(jié)構(gòu)式見圖5。它不會擾亂枯草芽孢桿菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，而是通過抑制枯草芽孢桿菌的胞質(zhì)分裂而誘導(dǎo)其形成細(xì)絲。它阻止胞質(zhì)分裂也是通過抑制Z環(huán)的形成而不影響擬核的正常生理功能。桃陀酚能夠減少體外的結(jié)核分枝桿菌FtsZ蛋白的裝配，并且能夠強(qiáng)烈地抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性。它也被證實(shí)能夠擾亂Z環(huán)里的FtsZ蛋白的原絲裝配動力學(xué)，抑制枯草芽孢桿菌的MIC值為2 μmol·L－1［9］，但是對腫瘤細(xì)胞的微管蛋白沒有影響。目前，它已經(jīng)可以通過化學(xué)的方法合成，因此可以相對廉價(jià)地大量獲得。這些表明桃陀酚或許是一個(gè)很好的用來發(fā)展抗結(jié)核藥物的先導(dǎo)化合物。桃陀酚的許多衍生物已經(jīng)被合成，對桃陀酚分子中的B環(huán)和C環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾沒有發(fā)現(xiàn)其抗菌活性增強(qiáng)，而具有吲哚結(jié)構(gòu)的A環(huán)類似物卻表現(xiàn)出了比天然產(chǎn)物增強(qiáng)的抗菌活性［10］，但是初步的實(shí)驗(yàn)研究表明吲哚類似物不以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)。

圖5　桃陀酚

2.5雙矮紫玉盤素雙矮紫玉盤素(Dichamanetin)和它的類似物2″'－羥基－5″－芐基－isouvarinol－B分別是從Uvaria chamae和Xylopia africana中獲得的［11］，其結(jié)構(gòu)式見圖6。它們抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性的IC50分別達(dá)到了5.9 μg·mL－1和5.7 μg·mL－1。它們抗革蘭陽性菌的活性與臨床有關(guān)的抗生素相似。構(gòu)效關(guān)系表明分子結(jié)構(gòu)中的黃烷酮部分在阻礙FtsZ蛋白的GTP酶活性方面發(fā)揮了重要的作用。另外，多酚結(jié)構(gòu)和抗GTP酶活性之間也可能存在一定的聯(lián)系。

圖6　雙矮紫玉盤素

2.6姜黃素姜黃素(Curcumin)是從姜黃(Curcuma longa)中發(fā)現(xiàn)的一種可食用的多酚類物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)式見圖7。它具有廣譜的抗菌活性，對金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和乳酸菌等都具有抑制活性。它對枯草芽孢桿菌的IC50和MIC值分別為17 μmol·L－1和100 μmol·L－1，對大腸桿菌的IC50和MIC值分別為58 μmol·L－1和100 μmol·L－1。由此可見，它的抗菌活性較弱，這可能是因?yàn)樗纳锢枚容^差。它能夠誘導(dǎo)枯草芽孢桿菌形成細(xì)絲，抑制細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)動態(tài)Z環(huán)的形成而不影響擬核的分離。電子顯微分析表明姜黃素在體外能夠減少FtsZ蛋白的原絲捆扎，也能擾亂FtsZ蛋白的二級結(jié)構(gòu)。同時(shí)，它還能夠增強(qiáng)FtsZ蛋白的GTP酶活性，導(dǎo)致FtsZ蛋白聚合物變得極度不穩(wěn)定。總之，姜黃素抑制細(xì)菌細(xì)胞增殖主要是通過抑制Z環(huán)里的FtsZ蛋白的裝配動力學(xué)。Kaur等［12］分別研究了姜黃素與枯草芽孢桿菌和大腸桿菌的FtsZ蛋白的結(jié)合模式，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它結(jié)合在和鳥嘌呤核苷酸(guanine nucleotide)相同的結(jié)合位點(diǎn)處。因此如果想以姜黃素為先導(dǎo)化合物來設(shè)計(jì)抗菌藥物，則必須通過結(jié)構(gòu)修飾來克服生物利用度低和抑制微管活性的這兩點(diǎn)缺陷。

圖7　姜黃素

2.7黃連素黃連素(Berberine)是一種天然的植物生物堿，其結(jié)構(gòu)色式見圖8。含有黃連素的植物已經(jīng)被用于許多微生物感染性疾病的治療，例如腹瀉、傷寒、胃腸炎和沙眼中。黃連素具有廣譜的抗菌活性，幾乎對所有的微生物都有抑制活性，包括細(xì)菌、病毒、原蟲、蠕蟲和真菌等。其中，抗革蘭陽性菌的活性最好，例如，它抗大腸桿菌和鼠傷寒沙門氏菌的MIC值都大于400 μg·mL－1，而它抗枯草芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的MIC值為100 μg·mL－1，另外，它抗臨床分離的MRSA和幽門螺旋桿菌的MIC分別為32～128 μg·mL－1和12.5 μg·mL－1。Domadia等［13］發(fā)現(xiàn)黃連素能夠抑制FtsZ蛋白的聚合和GTP酶活性。但是黃連素對哺乳動物的微管蛋白沒有影響。飽和轉(zhuǎn)移差譜核磁共振(STD－NMR)的波譜數(shù)據(jù)表明黃連素的二甲氧基、異喹啉結(jié)構(gòu)和苯并二氧五環(huán)結(jié)構(gòu)與FtsZ蛋白的靶點(diǎn)結(jié)合。分子對接模型顯示該化合物和FtsZ蛋白的結(jié)合位點(diǎn)在GTP的結(jié)合口袋處，這與STDNMR波譜數(shù)據(jù)的結(jié)果一致。由此可見，黃連素是一個(gè)比較有前途的用于研發(fā)以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的抗菌藥物的先導(dǎo)化合物。

圖8　黃連素

2.8紫杉烷類紫杉烷類(Taxanes)被分為高毒的穩(wěn)定微管的紫杉醇及其衍生物和無毒的紫杉烷類多重耐藥逆轉(zhuǎn)劑，其結(jié)構(gòu)式見圖9。Huang等［14］篩選了120個(gè)紫杉烷類化合物，其中許多具有顯著的抗結(jié)核分枝桿菌活性。隨后通過對紫杉烷類多重耐藥逆轉(zhuǎn)劑進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)它們都能夠顯著地抑制敏感和耐藥的結(jié)核分枝桿菌的增殖。實(shí)驗(yàn)表明它們能夠穩(wěn)定結(jié)核分枝桿菌的FtsZ蛋白的原絲，這和紫杉醇作為抗癌藥促進(jìn)微管蛋白裝配和微管穩(wěn)定的機(jī)制類似。它們顯示了極好的抗菌活性，抗敏感和耐藥的結(jié)核分枝桿菌的MIC值均在1.25～2.50 μmol·L－1之間。然而，對于此類FtsZ抑制劑抗FtsZ蛋白的GTP酶活性的作用機(jī)制，還有待進(jìn)一步研究。

圖9　紫杉烷類

以上為以FtsZ蛋白為靶點(diǎn)的天然產(chǎn)物的研究進(jìn)展，除此之外，還有一些全合成的抗菌活性強(qiáng)的FtsZ抑制劑也被陸續(xù)報(bào)道［15］。相信隨著人們對FtsZ蛋白以及天然和合成的FtsZ抑制劑研究的不斷深入，可能會有更強(qiáng)的抗耐藥菌衍生物出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

［1］丁子春，劉統(tǒng)斌，于秀華，等.細(xì)胞分裂蛋白FtsZ抑制劑的研究進(jìn)展［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2012，43(5) : 386－393.

［2］林媛，朱寧嶼，蔣建東，等.靶向FtsZ先導(dǎo)化合物的篩選及其抗結(jié)核作用探討［J］.中國新藥雜志，2015，24 (5) : 592－594.

［3］Matsui T，Yamane J，Mogi N，et al.Structural reorganization of the bacterial cell－division protein FtsZ from Staphylococcus aureus［J］.Acta Crystallogr D Biol Crystallogr，2012，68(Pt 9) : 1175－1188.

［4］Nogales E，Downing KH，Amos LA，et al.Tubulin and FtsZ form a distinct family of GTPases［J］.Nat Struct Biol，1998，5(6) : 451－458.

［5］Hay JC，Scheller RH.SNAREs and NSF in targeted membrane fusion［J］.Curr Opin Cell Biol，1997，9(4) : 505 －512.

［6］Park YS，Grove CI，Gonzalez－Lopez M，et al.Synthesis of(－)－viriditoxin: a 6，6'－binaphthopyran－2－one that targets the bacterial cell division protein FtsZ［J］.Angew Chem Int Ed Engl，2011，50(16) : 3730－3733.

［7］Domadia P，Swarup S，Bhunia A，et al.Inhibition of bacterial cell division protein FtsZ by cinnamaldehyde［J］.Biochem Pharmacol，2007，74: 831－840.

［8］Beuria TK，Santra MK，Panda D.Sanguinarine blocks cytokinesis in bacteria by inhibiting FtsZ assembly and bundling［J］.Biochemistry，2005，44(50) : 16584－16593.

［9］Jaiswal R，Beuria TK，Mohan R，et al.Totarol inhibits bacterial cytokinesis by perturbing the assembly dynamics of FtsZ［J］.Biochemistry，2007，46(14) :4211－4220.

［10］Evans GB，F(xiàn)urneaux RH，Gainsford GJ，et al.The synthesis and antibacterial activity of totarol derivatives.Part 3: Modification of ring－b［J］.Bioorg Med Chem，2000，8 (7)，1663－1675.

［11］Hufford CD，Lasswell WL Jr.Antimicrobial activities of constituents of Uvaria chamae［J］.Lloydia，1978，41(2) : 156－160.

［12］Kaur S，Modi NH，Panda D，et al.Probing the binding site of curcumin in Escherichia coli and Bacillus subtilis FtsZ －a structural insight to unveil antibacterial activity of curcumin［J］.Eur J Med Chem，2010，45 (9) : 4209 －4214.

［13］Domadia PN，Bhunia A，Sivaraman J，et al.Berberine targets assembly of Escherichia coli cell division protein FtsZ ［J］.Biochemistry，2008，47(10) : 3225－3234.

［14］Huang Q，Kirikae F，Kirikae T，et al.Targeting FtsZ for antituberculosis drug discovery: noncytotoxic taxanes as novel antituberculosis agents［J］.J Med Chem，2006，49 (2) : 463－466.

［15］Artola M，Ruiz－Avila LB，Vergonos A，et al.Effective GTP－replacing FtsZ inhibitors and antibacterial mechanism of action［J］.ACS Chem Biol，2015，10(3) : 834 －843.

關(guān)鍵詞:細(xì)絲溫度敏感蛋白Z;抗菌天然產(chǎn)物;抗菌活性;靶向活性

Research progress on antimicrobial natural products targeting FtsZ protein

MA Si-ti，WEI Guo-dong，LIU Hui，HE Fang-zheng
(Shandong College of Traditional Chinese Medicine，Yantai 250019，China)

Abstract:The misuse of antibiotics has resulted in the emergence and prevalence of bacterial resistance around the world.Many originally powerful antibiotics in the clinic have shown either weak or no activity against resistant strains，which contributes to enormous difficulties in fighting bacterial infections.In recent years，the study has found that filamentous temperature－sensitive protein Z (FtsZ) plays an important role in bacterial cell division，so FtsZ protein is considered as a very potential target for antibacterial agents.Some antimicrobial natural products have been found to act on the target.In this paper，the structure and function of FtsZ protein and the antimicrobial natural products were introduced so as to provide the basis for the research and development of new antibacterial drugs.

Key words:FtsZ; Antimicrobial natural products; Antibacterial activity; On－target activity

作者簡介:馬思提，女，研究方向:抗耐藥菌化合物的設(shè)計(jì)、合成和活性研究，E－mail: mst13628508293@163.com

中圖分類號:R285.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:2095－5375(2015) 10－0604－004