当前位置：首页 > 详细信息 国科大杭州高等研究院杨财广组发现选择性激动SaClpP的新型抗生素
作者：CZRC 发布时间：2022/11/18 3:00:00
金黄色葡萄球菌是导致皮肤感染的常见病原体之一。随着抗生素的广泛应用，针对金黄色葡萄球菌的抗生素耐药已经是一个亟待解决的问题。因此迫切需要寻找一类不同于传统抗生素作用方式的新靶点，开展相关抗菌化合物的研究。ClpP是原核和真核生物中高度保守的ATP依赖的丝氨酸水解酶，负责调控蛋白质稳态。生理状态下，ClpP通过与伴侣蛋白例如ClpX形成ClpXP复合体发挥水解酪蛋白的功能。小分子激动金黄色葡萄球菌ClpP(SaClpP)异常降解关键蛋白质，是抗生素发现的新策略。由于异常激活人源ClpP (HsClpP)可引起线粒体蛋白稳态失调而产生细胞毒性，因此理想的靶向性激动SaClpP的抗生素研究必须充分避免对线粒体HsClpP产生干扰。然而目前尚未见选择性的SaClpP激动剂被报道。
2022年11月，国科大杭州高等研究院药物科学与技术学院（以下简称杭高院药学院）杨财广教授研究团队在金黄色葡萄球菌ClpP激动剂抗耐药菌感染方面取得新进展，相关成果以“Anti-infective therapy using species-specific activators of Staphylococcus aureus ClpP”为题，在线发表于Nature Communications上。
该研究利用高通量筛选发现Wnt信号通路抑制剂ICG-001可激动两种ClpP的酶活。对ICG-001结构优化之后，实现了一类新骨架ClpP激动剂ZG111通过引起线粒体蛋白稳态失调抗胰腺癌[1]。在构效关系研究基础上，获得ZG111的衍生物ZG180，对两种ClpP的激动活性均显著提高。对ZG180结合SaClpP与HsClpP的复合物晶体解析，以及SaClpP与HsClpP蛋白序列对比分析，发现ZG180在SaClpP蛋白结合口袋处的91位异亮氨酸与HsClpP的同源位置146位色氨酸在空间上具有较大差异。基于结构差异开展设计，在ZG180中引入手性的甲基取代，得到(R)-和(S)-ZG197。生化实验表明其可以选择性结合并激动SaClpP，而对HsClpP无明显激动活性。基于这个差异位点，研究者尝试解释其选择性的作用机制。将SaClpP中的关键I91突变为色氨酸后，(S)-ZG197与该I91W突变体的作用减弱。而针对HsClpP的W146A突变提高了(R)-ZG197的活性。同时，研究者也发现HsClpP中存在一个较长的C末端基序，而这个序列在SaClpP及其他原核生物的ClpP中缺失。将该C端基序截短后，(R)-ZG197对HsClpP的活性提高，而C末端截短的HsClpPW146A突变体可以使(R)-和(S)-ZG197活性进一步增强，这些结果解释了两个化合物实现选择性的作用机制。
后续研究者在细菌水平上评价了两个化合物的抗菌效果。(R)-和(S)-ZG197可以有效抑制临床多药耐药菌；同时体外杀菌实验也证实(R)-和(S)-ZG197可以在6 h内有效清除病原菌；与传统抗生素利福平等联用可以杀死造成慢性感染的持留菌。最后在斑马鱼和小鼠动物模型上，发现(R)-和(S)-ZG197对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染斑马鱼有显著的治疗作用，且在小鼠皮肤感染模型上可以显著降低皮肤表面的细菌载量，从而有效抑制MRSA感染。
图1 小分子选择性激动金黄色葡萄球菌ClpP抗耐药菌感染
图1 小分子选择性激动金黄色葡萄球菌ClpP抗耐药菌感染
该研究获得两个选择性作用于SaClpP而不影响HsClpP的小分子激动剂，并揭示了实现选择性作用的机制，从概念上验证了针对两种种属同源性较强的ClpP蛋白可以实现选择性激活。此外，这项工作有可能为治疗MRSA感染提供有前景的策略，并推动针对新靶点抗生素药物发现研究。
该论文的第一作者为国科大杭州高等研究院药学院与上海药物研究所联合培养博士研究生魏柄妍、上海药物研究所副研究员张涛博士，以及国科大杭州高等研究院药学院博士后王蓬宇博士，国科大杭州高等研究院药学院杨财广教授为通讯作者。该研究得到上海科技大学季泉江课题组，同济大学附属东方医院吴文娟课题组，上海药物研究所蓝乐夫课题组，复旦大学甘建华课题组，上海同步辐射光源，上海公共卫生临床中心，上海药物研究所先导专项化合物资源库的支持，并获得国家自然科学基金的资助。
参考文献：
1. Wang P, Zhang T, Wang X, Xiao H, Li H, Zhou LL, Yang T, Wei B, Zhu Z, Zhou L, Yang S, Lu X, Zhang Y, Huang Y, Gan J, Yang CG. Aberrant human ClpP activation disturbs mitochondrial proteome homeostasis to suppress pancreatic ductal adenocarcinoma. Cell Chem Biol. 2022 Sep 15;29(9):1396-1408.