耐药菌RNA聚合酶的新药筛选

细菌RNA聚合酶上新靶点的药物筛选

——基于蛋白结构筛选抗耐药菌先导化合物

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合作单位：美国罗格斯大学 Rutgers University （Richard H. Ebright教授，美国科学院院士）

合作成果：

1. New target for inhibition of bacterial RNA polymerase: “switch region.” Curr. Opin. Microbiol. 14, 532-543. (2016 IF=6.635)

摘要：本文主要讲述了美国罗格斯大学Ebright教授课题组首次在细菌RNA聚合酶上发现了一个新的药物作用靶点，并解析出了该靶蛋白与Myx（抗菌素）的复合物，发现该靶点与之前在该酶上发现的药物作用活性位点基本没有重叠，基于此靶点开发的新药将有效的与耐药菌的RNA聚合酶结合，从而阻止耐药菌的蛋白合成，导致耐药菌死亡。我们与Ebright教授课题组合作，根据其解析出来的细菌RNA聚合酶与Myx复合物结构，针对IBScreen、IBScreen Natural Product、Princeton、Chembridge、Pharmeks、Maybridge、Analyticon、Asinex化合物库进行了基于分子对接的虚拟筛选。经打分排序和人工目筛，确定购买每个库中选择综合排序前50位的分子，然后用细菌的RNA聚合酶抑制试验验证分子活性。最后，我们得到了一系列骨架不同的活性分子，筛选成功率高达25%。之前Ebright教授采用高通量筛选10万化合物，仅得到10个有活性的分子。因此，他对基于蛋白结构的虚拟筛选非常感兴趣，邀请我们的技术人员作为Curr. Opin. Microbiol.杂志上发表的该篇文章的共同作者。

韩庚院士为Richard Ebright教授颁发嘉许证书

1 背景知识

       抗生素是目前临床医疗中使用的最为广泛的一类药物。但因多年来抗生素的广泛应用甚至滥用，几乎所有的常规抗生素都出现了相应的耐药性致病株系，现有药物尚难有效控制这些耐药菌感染。然而，研究和开发具有新化学结构，新作用机制或新作用靶位的全新类型抗生素是解决耐药性问题的一条有效途径，也是当今药物研发一个非常活跃的领域。

      目前全新类型的抗生素研发策略为：

      ①抑制细胞壁的合成

      ②抑制核酸复制和转录

      ③抑制蛋白质的合成   

      ④抑制细胞膜功能

      ⑤抑制代谢物或基本辅助因子的合成^[1]。

    细菌的RNA聚合酶（RNAP）在DNA转录过程中起关键性作用，因此细菌RNAP是开发全新类型的抗生素的理想靶酶^{[2, 3]}。

      迄今为止，在细菌的RNAP上共发现4个靶点。2001年Campbell, E. 研究小组发现了细菌RNAP上与利福霉素结合的靶点^[4]，2005年Richard H. Ebright研究小组发现了细菌RNAP上与利链菌素结合的靶点^[3]，2006年Richard H. Ebright研究小组又发现了细菌RNAP上与Lpm 、Myx结合的两个新靶点^{[2, 5, 6]}。细菌RNAP上与Myx结合的新靶点位于RNAP的“开关区” （Switch Region），如图1所示：

图1. 位于RNAP“开关区”的新靶点

基于新靶点的抗菌作用机理如图2所示：

图2. RNAP“开关区”新靶点的抗菌作用机理

RNAP有两个“蟹钳”状结构域，“蟹钳”（淡蓝色部分）可围绕底部“开关区”活性位点区进行30°旋转而处于闭合(A)或开放(B)状态；“蟹钳”开放时允许DNA进入并与催化槽相结合(C)，然后闭合将DNA关闭在内(D)；此时启动子融合，转录过程开始；但抑制剂Myx与“开关区”活性位点结合后，阻止“蟹钳”开放，使DNA不能结合(E)，从而阻止了转录过程^[7]。

基于细菌RNAP“开关区”新靶点，进行新型抗菌药物的研究和开发，具有以下明显的优势：

1、Richard H. Ebright研究小组的实验显示，细菌的RNAP“开关区”靶点抑制剂并没有表现出对真核生物的交叉抑制效果^[2]，因此可望基于此靶点开发的新型抗菌药物可以特异性地作用于细菌而非人体，具有良好的安全性。

2、细菌的RNAP是DNA转录过程中的必需酶，并且此转录路径是唯一的，抑制此靶点就阻断了转录过程，因此可望基于此靶点开发的新型抗菌药物具有高效抑菌性。

3、细菌的RNAP广泛的存在于结核分枝杆菌，肺炎链球菌，金黄色葡萄球菌，不动杆菌，炭疽杆菌，屎肠球菌，阴沟肠杆菌，绿脓杆菌，鼠疫杆菌等临床致病菌中，因此可望基于此靶点开发的新型抗菌药物具有广谱抗菌性。

4、构成细菌RNAP“开关区”新靶点的氨基酸残基是高度保守的，因此可望基于此靶点开发的新型抗菌药物可以解决目前棘手的细菌耐药性问题。

      发现新型抗菌药物的前提是发现新型抗菌化合物，基于细菌RNAP“开关区”新靶点，进行新型抗菌化合物的研究和开发，进一步研究和开发出拥有我国自主知识产权的新型抗菌药物，具有重大意义和应用前景。

参考文献

[1] 周伟澄．高等药物化学选论．北京：化学工业出版社，2006: 98-98.

[2] Mukhopadhyay et al. The RNA Polymerase “Switch Region” Is a Target for Inhibitors. Cell, 2008, 135: 295-307.

[3] Tuske, S., Sarafianos, S., Wang, X., Hudson, B., Sineva, E., Mukhopadhyay, J., Birktoft, J., Leroy, O., Ismail, S., Clark, A., et al. Inhibition of bacterial RNA polymerase by streptolydigin: stabilization of a straight-bridge-helix active-center conformation. Cell, 2005, 122: 541–552.

[4] Campbell, E., Korzheva, N., Mustaev, A., Murakami, K., Nair, S., Goldfarb, A., and Darst, S. Structural mechanism for rifampicin inhibition of bacterial RNA polymerase. Cell, 2001, 104: 901–912.

[5] Ebright, R. H., Switch-Region: Target And Method For Inhibition of Bacterial RNA Polymerase [P]: USA, 20060246479. 2006-11-02.

[6] Ebright, R. H., RNA-Exit-Channel: Target And Method For Inhibition of Bacterial RNA Polymerase [P]: USA, 20060127905. 2006-06-15.

[7] Rui Sousa. Tie Me Up, Tie Me Down: Inhibiting RNA Polymerase. Cell, 2008, 135: 205-207.