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从天然产物中来,到Nature封面上去

Arylomycin是一类具有抗菌活性的大环脂肽类天然产物。近日,优化后的这类天然产物分子作为新一类抗生素登上了Nature 杂志封面,该文作者主要来自美国大名鼎鼎的基因泰克公司(Genentech)。Arylomycin的抗菌活性早已被发现,Christopher HeisePeter Smith等作者在撰写这篇文章的时候并没有从化合物本身出发,而是从临床亟须解决的多重耐药(MDR)细菌入手。多重耐药细菌又称“超级细菌”,能够抵抗人类已经拥有的大部分抗生素,可引起严重甚至致命的感染,让病人面临无药可用的绝境。多重耐药细菌中的革兰氏阴性菌(Gram-negative bacteria)尤其难以对付,尽管无数大小制药企业努力攻关,投入了无数的资金和人力,但在过去50年里,还没有任何一类针对革兰氏阴性菌的新型抗生素获批上市,难度可见一斑。

图片来源:Nature


咱们首先得做一个简单科普。革兰氏阳性菌(Gram-positive bacteria)和革兰氏阴性菌是指对革兰氏染色反应分别产生阳性和阴性结果的细菌,它们的细胞壁具有不同的结构(下图)。革兰氏阴性菌具有两层膜结构,为其构成了严密防护,特别当这些细菌出现了多药耐药突变之后,问题就变得更加棘手,人类往往束手无策。

图片来自网络


基因泰克的科研团队针对这一世界性难题发起挑战。他们以具有抗菌活性的天然产物arylomycin为先导化合物进行了结构优化,得到了可有效杀死革兰氏阴性菌并且较arylomycin对耐药菌株活性提高500倍的分子G0775。本君今天就从该文章的学术内容角度简单分析一下。


Arylomycin的抗菌活性是基于对信号肽酶(SPase)的抑制作用,这是前人研究的结果。但是,在革兰氏阴性菌中这个酶位于双层膜结构中间和内膜部分,这就使得arylomycin对革兰氏阴性菌的活性大为降低。那为什么基因泰克的科研团队坚持开发这个化合物而不是另起炉灶呢?我想这是许多同学关心的学术问题。重点来啦,他们从旁人的研究中得到了启示,arylomycin对于突变的革兰氏阴性菌信号肽酶LepB的结合力显著下降。这就说明,arylomycin这个化合物能透过双层膜结构的外膜,到达信号肽酶靶点!既然能过外膜、到靶点,那么提高化合物和靶点结合力就是了。这种事对药物化学工作者来说简直是家常便饭啦,特别是目标靶点还有晶体结构,那完全可以用上教科书里的各种药物设计手段实现“精准打击”,合理药物设计。具体的优化策略并不难,保留arylomycin与靶点结合的大环肽类结构,优化原有的脂肪肽链以提高活性,进一步引入亲电反应“弹头”氰基酰胺用于和靶点生成共价键,最后根据文献报道修饰两个酚羟基,最终得到了活性提高的新分子G0775。具体化合物结构如下图。

图片来源:Nature


结构优化得到的G0775对多种革兰氏阴性菌的抑菌活性还是非常突出的,全面超越原来的arylomycin(Table 1)。同时,G0775对耐药菌株的作用更是非常了得(Table 2)。这很可能解决抗生素研发领域的一大重要技术难题。

图片来源:Nature


讲完了药物对细胞表型变化影响(抑菌),就该聊聊机制了。这个套路在Nature 的文章中也不例外。作者主要从两个层面讲了G0775全新的作用机制。其一是化合物和靶点的作用形式;其二是阐述了G0775如何到达靶点。咱们先说第一点,既然化合物设计来自蛋白晶体结构,那么G0775与靶点的共晶结构自然备受期待。笑点来啦,作者原文明确写到,当初设计化合物的时候亲电“弹头”结构的引入是为了和靶点中的丝氨酸91(S91)形成共价键以增强结合力。结果,最后的共晶结果告诉我们,G0775与赖氨酸(K146)形成了共价键,没有S91什么事。为了更直接的验证这个事实,他们做了G0775与靶点混合后的质谱。结果依旧“打脸”,结合位点的确在LDYIKR肽段的赖氨酸。“歪打正着”也好,“幸运光环加身”也好,G0775与靶点的结合的确很强,酶动力学结果从具体数据层面证实了这一点(KI = 0.44 nM)。所以,各位同学如果你们要想证明自己的化合物和某个靶点的相互作用,可以从上述三个维度阐述问题,毕竟这是Nature 标准哦。至于另一个作用机制嘛,作者合成了一些带电荷的衍生物,又利用突变菌株证明了G0775并不是从极性物质常规的通道蛋白(porin)透过外膜的。这算不上什么特别的机制,作者也就没把实验结果放在正文部分。一句话,G0775不走寻常路。

图片来源:Nature


文章最后,作者给出了一些动物实验结果,当然这也是标准套路啦。在多种动物模型上评价了G0775对包括多重耐药菌在内的多种革兰氏阴性细菌感染的治疗作用。实验结果咱就不赘述了吧,能上Nature封面的文章结果自然差不了。

图片来源:Nature


照例,本君还是在最后斗胆点评几句。


私以为,这篇文章最大的亮点就是对革兰氏阴性菌杀灭的全新机制。至于药物化学部分,作者并没有详述优化过程。在本君看来也并没有太多的新意,脂肪链的替换常见于各类脂质模拟物药物,看似精准的基于晶体结构的合理药物设计,在这个例子上更是带了几分幽默感。若是从药物开发的角度来讲,共价结合药物永远绕不开系统的毒性风险。当然,这么大的环再加上两个芳环,G0775的药代行为又会是怎样呢?反正没有药代数据和毒性数据已经发到顶刊封面了,不知道是基因泰克故意雪藏关键数据为其新药做准备,还是像本君担心的那样:风险均已兑现,忍痛毙项目发论文进行“废物利用”呢?大伙拭目以待吧。


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):

Optimized arylomycins are a new class of Gram-negative antibiotics

Nature, 2018, 561, 189-194, DOI: 10.1038/s41586-018-0483-6


(本文由乐只君子供稿)


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