FtsZ抑制剂作为新型抗菌分子的研究进展_郭琦.pdf

基金项目:国家自然科学基金(81703333)通信作者:郭琦,E-mail:348363178 ;孙宁,E-mail:ning.sun connect.polyu.hkFtsZ 抑制剂作为新型抗菌分子的研究进展郭 琦1 郭泽莉1 吴文玉1 孙 宁21 中山大学中山眼科中心,眼科学国家重点实验室,广东省眼科视觉科学重点实验室(广州510060)2 广州市第一人民医院/华南理工大学附属第二医院(广州 510180)郭琦,现就职于中山大学中山眼科中心药学部,从事药事管理、临床药学及眼科临床药物试验管理工作。2011 年毕业于中山大学药学院。参与发表学术论文 6篇,参与完成国家自然科学基金、广东省自然 科 学 基 金 各 一项。参与编撰人民卫生出版社出版 五官科疾病 一书。现任广东省药学会眼科药学专家委员会委员。孙宁,广州市第一人民医院临床医学研究所副教授/副研究员。曾任香港理工大学化学生物学与药物研发国家重点实验室 Research Fellow、美国亚利桑那大学药理毒理系访问学者、广州医科大学“南山学者”特聘副教授。现任 广 州 医 药、Frontiers in Microbiology 等期刊的编委或 客 座 编 委;Journal of Medicinal Chemistry、European Journal of Me-dicinal Chemistry、Antibiotics 等期刊的特邀审稿人。主要研究方向为抗菌新靶点的发现及抗菌分子的机制研究。【摘 要】近年来,由于抗生素的不合理使用,导致新型耐药性细菌不断出现,严重危害人类健康,迫使我们急需发现新型抗菌药物来对抗耐药性细菌引起的感染。FtsZ 蛋白是细菌分裂的必需蛋白,在细菌分裂增殖过程中起着关键作用。当 FtsZ 的功能受到抑制时,细菌的分裂增殖亦会被抑制,最终导致细菌死亡。FtsZ 蛋白是目前热门的抗菌新靶点之一。本文回顾了 FtsZ 蛋白的生物学功能,总结了以 FtsZ 为靶标的新型抗菌分子的研究进展。【关键词】耐药性细菌;细菌分裂蛋白 FtsZ;FtsZ 抑制剂 DOI:10.3969/j.issn.1000-8535.2023.02.002Recent advances of FtsZ inhibitors as new antibacterial agentsGUO Qi1,GUO Zeli1,WU Wenyu1,SUN Ning21 State Key Laboratory of Ophthalmology,Zhongshan Ophthalmic Center,Sun Yat-sen University,Guangdong Provincial KeyLaboratory of Ophthalmology and Visual Science,Guangzhou 510060,China2 Guangzhou First Peoples Hospital,Second Affiliated Hospital of South China University of Technology,Guangzhou510180,China【Abstract】Antibiotic-resistant bacterial infection has become epidemic all over the world.To overcome the drugresistance problem,antibacterial agents targeting at new binding sites become critical.FtsZ,a bacterial cell division protein,has become a new attractive target for antibacterial agents discovery because it is the most important and conserved protein inbacterial cell division.Cell division will be inhibited when the functions of FtsZ were disturbed.In this article,the biologicalfunctions of FtsZ have been reviewed,and recent advances in discovery of FtsZ inhibitors were summarized.【Key words】drug-resistant bacteria;cell division protein FtsZ;FtsZ inhibitors9http:/ 细菌的耐药性问题被认为是当今所面临的最大科学挑战之一。例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin-resistant Staphylococcus aureus,MR-SA)、多重耐药金黄色葡萄球菌、耐万古霉素肠球菌和多粘菌素耐药大肠杆菌等新型耐药菌的出现,严重降低了临床上常用的抗菌药物的疗效,曾经被普遍用来治疗常见的肠道与尿道感染、肺炎、新生儿感染以及淋病的抗菌药物,因为细菌对抗生素产生的超强抵抗力,已经逐步失去抑制耐药菌生长繁殖的能力,进而导致耐药菌感染患者的死亡率逐年增加,威胁人类的健康。另一个令人担忧的问题是新型抗生素的研发相对滞后。美国食品药品监督管理局批准上市的新抗生素药物近年来一直在減少,从 1962 年起到现在,只有3 个新型抗生素药物(利奈唑胺、达托霉素和Retapamulin)获批1。预计到 2050 年,全球因抗生素耐药性感染而死亡的人数估计将从 2014 年的 70 万上升至 1 000 万,由此累计的医疗和生产力成本将达到 100 万亿美元2。鉴于耐药细菌对人类健康的威胁和临床用药选择范围的相对缩小,研发新作用机制和新化学结构的新一代抗菌药物,有效地杀死耐药细菌是解决这一全球性危机的重要举措。近几年来,细菌的细胞分裂发生机制成为科研单位和药物企业研发新型抗生素的新方向。在目前已明确有效的靶点中,细胞分裂温度敏感突变体 Z(filamenting temperature-sensitive mutant Z,FtsZ)是最具开发潜力和研究最为深入详细的作用靶点之一3。有关 FtsZ 蛋白的结构与功能研究揭示,它存在于绝大多数细菌中,具有高度的保守性,是介导细菌细胞分裂的关键蛋白。当其生物活性受到抑制时,细菌的细胞分裂将受到影响,进而导致细菌的生长繁殖被抑制。2008 年,英国Prolysis 制药公司在 Science 上发表了能有效抑制MRSA 生长繁殖的 FtsZ 蛋白抑制剂 PC1907234。2012 年,Merck 制药公司在 Science TranslationalMedicine 杂志上详细阐述了该化合物的作用机制,并揭示了其与甲氧苯青霉素联合对抗 MRSA 的协同作用。目前,基于这一化合物的衍生物仍在进行前期的临床研究,有望开发成为新的抗菌药物。随着 FtsZ 蛋白在细菌分裂中的功能和作用机制的深入研究,越来越多生物医药研究者和药物开发公司,开始针对 FtsZ 蛋白着力开发新一代的抗菌药物。1 FtsZ 蛋白的结构和功能FtsZ 蛋白是细菌分裂增殖过程所必需的功能性蛋白,它存在于绝大部分原核生物中5。FtsZ 蛋白的分子量约为40.3 kDa,许多 FtsZ 蛋白的高分辨的X 单晶衍射晶体结构揭示了其具有两个结构域组成的保守结构(图1)5。N 端为核苷结合区(GTP 结合位点),而 C 端包含一个柔性很强的环(T7loop),这两个结构域由结构中央的 H7 螺旋分隔开,由 H5 螺旋连接,形成小分子结合口袋(主要氨基酸有 G193、G196、N263)。研究表明,FtsZ 以头接尾的模式聚合,一个单体的 T7 环会插入另一个单体的 GTP 结合位点,此时催化残基得以靠近-磷酸,从而催化 GTP 的水解6。图 1 FtsZ 蛋白结构示意图FtsZ 蛋白的结构和功能角色与真核细胞的微管蛋白类似,具有一定的同源性,但是,微管蛋白的 C 端结构域更大。通过比较 FtsZ 蛋白与-和-微管蛋白的二维晶体结构,可以看出 FtsZ 蛋白和-微管蛋白的 GTP 结合位点和 C 端在结构上有很强的相似性,所以 FtsZ 蛋白也被认为是微管蛋白的类似物。但两者在蛋白质氨基酸序列上只有 7%的相似性,在核苷酸结合方式上也有很大不同。此外,微管蛋白是由 和 异二聚体组成,具有明显的极性,而 FtsZ 蛋白聚合物只由一个个 FtsZ单体构成3。这些结构上的差异,为开发靶向FtsZ 蛋白却又对微管蛋白无影响的药物提供了有效的条件。细菌细胞的分裂是一个由多蛋白参与调控的复杂生物学过程,FtsZ 蛋白在这一过程中起着至关重要的作用。在细菌启动细胞分裂时,FtsZ 蛋白是01广州医药 2023 年 2 月第 54 卷第 2 期第一个迁移到分裂位点的蛋白,通过 GTP 供能条件下首尾相接形成单条直链原丝蛋白,然后直链原丝蛋白平行相接形成 FtsZ 蛋白束,最后在细胞中部围绕细胞形成环状结构,相关领域的学者称这一过程为 FtsZ 蛋白的动态聚合,称这个环状结构为 Z 环。Z 环形成后,会进一步招募其他细胞分裂蛋白(FtsA、ZipA、ZapA 等),通过蛋白-蛋白直接或间接作用形成细胞间隔膜。在 FtsZ 蛋白水解 GTP 提供的能量驱动下,Z 环不断向内收缩,母体细胞进而一分为二成为 两 个 子 细 胞(图2)3,7。这些发现为进一步研究 FtsZ 蛋白动态聚合的详细机制和基于蛋白结构的药物设计提供了可能。FtsZ 蛋白的动态聚合对 Z 环的形成起着至关重要的调控作用。当 FtsZ 蛋白的动态聚合或 GTP水解活性受到抑制时,Z 环将无法形成或无法保留其完整功能,即使细菌的 DNA 复制和蛋白质合成等功能均运转正常,但细菌在此状态下只能形成狭长丝状(杆状细菌)或肥大球状(球状细菌)的形态,无法进行增殖分裂,从而导致细菌的死亡3。图 2 细菌分裂增殖示意图注:(A)在 GTP 存在下,FtsZ 单体聚合形成的原丝状聚合物;(B)原丝之间的横向相互作用形成 Z 环,Z 环通过与FtsZ 分子与 FtsA 和 ZipA 相互作用连接到细胞膜上;(C)Z 环收缩引起细胞膜内陷;(D)细菌一分为二,细胞分裂完成,进入下一次分裂增殖。2 FtsZ 蛋白抑制剂随着对 FtsZ 蛋白的研究不断深入,医药研究者对其生物学功能的认识不断加深,开发靶向 FtsZ蛋白的抗菌先导化合物也越来越受到研究者们的重视。目前,已有一些国内外研究团队在开展 FtsZ蛋白抑制剂的研究,从现有的研究报道可以看出,当前 FtsZ 蛋白抑制剂主要包括天然产物及其衍生物和合成类抑制剂。2.1 天然产物及其衍生物2.1.1 黄连素及其衍生物黄连素(图 3)是一种常见的天然生物碱,2008 年,Dasgupta 团队的研究发现黄连素可能是通过抑制 FtsZ 蛋白的 GTP 酶活性(IC50=16 mol)和动态聚合(IC50=10mol),起到抑制细菌生长的活性。分子模拟研究表明,黄连素的结合部位与大肠杆菌 FtsZ 蛋白中的 GTP 结合口袋相重叠8。Sun 等人9通过基于FtsZ 蛋白结构的设计方法,合成了一些 9-苯氧基烷基黄连素的衍生物,分子对接的结果显示,这些衍生物的结合位点位于金黄色葡萄球菌 FtsZ 蛋白的 C-末端结构域间隙。这类化合物具有较强的抗革兰氏阳性菌的活性,对 MRSA 和 VRE 的最低抑菌浓度(minimum inhibitory concentration,MIC)值分别为 2 8 g/mL 和 4 16 g/mL。此外,这些化合物对革兰氏阴性杆菌也表现出中等的抗菌活性,如大肠杆菌,其 MIC 值为 32 128 g/mL。在这些衍生物中,化合物 2(图 3)具有最强的抗菌活