四氢异喹啉抗生素抗性中的半缩醛胺药效团还原失活

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作为现代文明的代表性成果之一,抗生素与我们的生活息息相关,已成为开发复杂的医疗方案所需最重要的医疗干预措施之一,如尖端外科手术、实体器官移植和癌症患者的管理等。不幸的是,常见病原微生物抗药性的明显增加正在威胁着这种治疗成就,与人类疾病相关的重要病原体中出现抗性被认为是对人类公共健康最主要的威胁。世界卫生组织在2014年将抗生素的耐药性列为21世纪最重要的三大公共卫生威胁之一。因此,理解药物抗性产生的遗传基础和生化机制对于设计减少抗药性产生和传播的策略以及制定针对多重抗药性微生物的创新治疗方法至关重要。而结合天然产物生物合成研究,深入开展高活性抗生素自抗性机制研究将有机会从全新的视角深入发掘自然界微生物相生相克的本质。


中国科学院上海有机化学研究所生命有机化学国家重点实验室唐功团队持续致力于天然产物四氢异喹啉(THIQ)家族抗生素的生物合成研究,并在近期发表了THIQ家族抗生素药效官能团还原失活的新抗性机制。THIQ家族成员众多,该团队主要研究对象主要包括萘啶霉素(NDM)、番红霉素(SFM)、草地霉素(LMM)和明星药物分子ET-743等。首先,他们通过体内敲除位于萘啶霉素(NDM)生物合成基因簇内和基因组中两个编码短链脱氢酶/还原酶(SDR)家族蛋白NapW和homW的基因,NDM产生菌不再产生萘啶霉素,且突变株与野生型相比对抗生素的敏感性发生显著变化,证明了这两个基因与NDM的生物合成及自抗性相关。然后,通过体外酶活性功能实验证明这两个蛋白在辅因子NADPH的存在下能够将NDM和SFM生物合成前体结构中的半缩醛胺结构还原。同时,中国科院学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所的周佳海团队和上海交通大学微生物代谢国家重点实验室石婷团队分别在蛋白结构解析和MD模拟方面对催化机理进行了预测和阐释。


综合体内和体外的实验结果,他们推测蛋白NapW和homW在体内将中间体前药还原,同时还可以将重新进入细胞内的NDM还原失活从而保证细胞免受自身DNA烷基化带来的伤害。综合前期蛋白NapU (Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 2018115, 11232-11237)和NapW/homW在NDM生物合成途径中所发挥的功能,他们提出“胞内失活-胞外活化-再失活过程”的双重抗性机制。这种源于链霉菌新型的由氧化-还原酶催化药效团淬灭-活化的时空隔离抗性机制保证了抗生素产生菌在合成高活性次级代谢产物的同时,兼具对活性中间体潜在伤害能力的损伤控制及高活性终产物的自我保护功能(图1)。

四氢异喹啉抗生素抗性中的半缩醛胺药效团还原失活

图1. THIQ家族抗生素的抗性机制总结


NapW/homW还原失活NDM的作用促使他们进一步去探究更多的SDR家族同源蛋白对THIQ家族中其它化合物是否也具有类似的催化活性。于是挑选了不同微生物来源且同源性各异的NapW同源蛋白对已获得的THIQ家族化合物NDM、SFM生物合成前体、ET-743和LMM类似物进行活性测试,发现大部分同源蛋白在NADPH的存在下几乎能将所有的底物还原。由于半缩醛胺结构中的羟基是生物活性必须的官能团,羟基的缺失可能会导致抗生素生物活性的降低甚至丧失。因此SDR家族同源蛋白对THIQ家族化合物的这种催化还原的抗性机制在自然界的微生物中普遍存在(图1),这也属于THIQ家族抗生素的一种共性。这样的普遍的抗性机制在一定程度上为药物抗性发现提供了指导意义和借鉴作用,也为药物设计提供一定的参考价值。

Nat. Commun.202112, 7085, DOI: 10.1038/s41467-021-27404-3


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