超级细菌耐药靶蛋白NDM-1的实时跟踪及其双共价抑制剂的构建

近70年来，β-内酰胺类抗生素被广泛用于治疗细菌感染。然而，抗生素的过度使用甚至滥用导致了大量的耐药细菌产生，这些耐药细菌抵抗几乎所有的β-内酰胺类抗生素，包括青霉素类、头孢类，以及被誉为“最后防线”的碳青霉烯类抗生素。细菌耐药最重要的机理之一是生产金属β-内酰胺酶（Metallo-β-lactamases, MβLs）催化裂解β-内酰胺环使得抗生素失效而呈现出耐药性。MβLs介导之超级细菌耐药是目前世界卫生组织（WHO）和各国政府的密切关注点。印度新德里MβL-1（NDM-1）使得几乎所有的β-内酰胺类抗生素失效而引发全球临床医学危机。NDM-1的可怕之处在于其基因在不同菌种之间的穿梭性而导致广泛耐药性，因而对NDM-1的识别、视踪与抑制是一个极大的挑战。

近期，西北大学的杨科武教授（点击查看介绍）领导的研究团队基于MβLs三个组群活性中心结构的差异性，成功地构建了第一个用于MβLs的荧光依布硒及其双共价键抑制剂，实现了对超级细菌活菌体内NDM-1的实时、原位的示踪与抑制。采用3D-SIM荧光成像技术跟踪发现，抑制剂首先结合在细菌表面，进而进入细菌体内与靶蛋白NDM-1结合而分布于细胞质中，最终以包涵体形式富集在细菌两极。Nano LC-MS/MS表征揭示，抑制剂分子通过与NDM-1活性中心的Cys221形成Se-S共价键，实现了其对B1和B2组群MβLs的选择性标记和抑制。进而，作者基于NDM-1活性中心的结构特征，设计合成了第一类NDM-1双共价抑制剂：活性酯依布硒。MALDI-TOF和荧光表征揭示，活性酯依布硒与NDM-1活性中心的Cys221及Lys224分别形成Se-S和酰胺双共价键。这种奇特的抑制剂使得抗生素头孢噻肟（cefotaxime）和亚胺培南（meropenem）对产NDM-1超级细菌的灭活能力恢复了4-8倍。这一研究为发展MβLs双共价键抑制剂提供了新构架，这一研究所发展的技术可广泛用于复杂生物网络环境中超级细菌及其靶蛋白的实时监测/检测，包括在临床上的实际应用。

图1. MβLs标记试剂及双共价抑制剂的设计及其体外、体内的活性表征。

图2. 荧光依布硒选择性识别源于三个不同组群的MβLs及其对E. coli 活菌体内NDM-1分布及变迁的实时跟踪。

图3. 荧光依布硒标记NDM-1的Nano LC-MS/MS表征

这一研究成果近期发表在Chemical Communications 上，西北大学2015级硕士生陈成和博士生向阳为并列第一作者。在超级细菌的检测和MβLs的抑制研究领域，2017年，该课题组还报道了一种快速、灵敏有效地检测超级耐药细菌的紫外光谱技术和一类新型MβLs抑制剂：DNA纳米带^[1-2]，这些研究成果先后在Chemical Communications 上发表。

该工作得到中国-瑞典重大国际合作研究联合基金（81361138018，64020138804）和国家自然科学基金（21572179）的资助。

该论文作者为：Cheng Chen, Yang Xiang, Ke-Wu Yang, Yuejuan Zhang, Wen-Ming Wang, Jian-Peng Su, Ying Ge and Ya Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A protein structure-guided covalent scaffold selectively targets the B1 and B2 subclass metallo-β-lactamases

Chem. Commun., 2018, 54, 4802-4805, DOI:10.1039/C8CC01067F

参考文献：

1. Ke-Wu Yang, Yajun Zhou, Ying Ge, and Yuejuan Zhang. Real-time activity monitoring of New Delhi metallo-β-lactamase-1 in living bacterial cells by UV-Vis spectroscopy. Chem. Commun., 2017, 53, 8014-8017

2. Xiangyuan Ouyang, Ya-Nan Chang, Ke-Wu Yang, Wen-Ming Wang, Jian-Jian Bai, Jian-Wei Wang, Yue-Juan Zhang, Si-Yao Wang, Bin-Bin Xie, and Li-Li Wang. A DNA nanoribbon as a potent inhibitor of metallo-β-lactamases. Chem. Commun., 2017, 53, 8878-8881

杨科武教授简介

杨科武：博士，西北大学教授，博士生导师，化学生物学学科带头人，瑞典歌德堡大学讲座教授。中科院兰州化学物理研究所博士（1994），复旦大学副教授（1996），美国迈阿密大学Research Fellow（1998），美国跨国公司Girindus America Inc药物化学部资深研究员（2004）。2007年被引进入职西北大学化学生物学教授，创建化学生物学实验室（Chemical Biology Lab, CBL）。在化学、生命科学和药物学之交叉领域从事重要生物医学问题的研究，致力于超级细菌耐药性研究及其生物技术药物创新。主持中国-瑞典重大国际合作研究项目、美国宝洁公司（Procter & Gamble）抗骨质疏松药和美国安万特公司（Aventis）抗疱疹药物研发项目、中国自然科学基金、国家外国专家局项目、教育部博士点基金、陕西省国际科技合作重点项目等20项。与美国迈阿密大学、美国国家生物医学EPR中心、美国西部健康大学、英国布里斯托大学、英国卡迪夫大学、瑞典歌德堡大学、挪威北极大学等在超级细菌耐药研究领域长期合作研究。在Chem. Commun., ACS Bioconjugate Chem., J. Biol. Chem., Eur. J. Med. Chem. 等国际学术期刊发表研究论文80 余篇。获迈阿密大学杰出研究学者及戈登研究会NPG奖（2009）。

http://www.x-mol.com/university/faculty/13746