抗生素的臨床應(yīng)用可以說是20世紀(jì)最偉大的醫(yī)學(xué)突破。除了治療傳染病外，抗生素還使許多現(xiàn)代醫(yī)療程序成為可能，包括外科手術(shù)和器官移植等。然而，濫用這些有價值的化合物已導(dǎo)致耐藥性迅速上升，一些感染現(xiàn)在已無法有效治療。臨床上使用的大多數(shù)抗生素都來源于篩選土壤棲息細(xì)菌發(fā)現(xiàn)的天然產(chǎn)物。然而，到目前為止，傳統(tǒng)的篩選方式似乎被過度訓(xùn)練，因?yàn)樗鼈兺鶗a(chǎn)生以前已知的化合物。因此，探尋新的渠道來尋找具有新的作用機(jī)制的新抗生素迫在眉睫。近期，多篇文獻(xiàn)報道了抗生素相關(guān)研究，為新型抗生素的臨床引用提供幫助。

1. 來自未培養(yǎng)細(xì)菌的抗生素與不可變的靶標(biāo)結(jié)合

抗菌素耐藥性是世界范圍內(nèi)的主要死亡因素。德國波恩大學(xué)醫(yī)院藥物微生物學(xué)研究所Tanja Schneider團(tuán)隊報告發(fā)現(xiàn)了clovibactin，一種從未培養(yǎng)的土壤細(xì)菌中分離出來的抗生素^[1]。Clovibactin有效地殺死耐藥的革蘭氏陽性細(xì)菌病原體，而不會產(chǎn)生可檢測到的耐藥性。利用生物化學(xué)分析、固態(tài)核磁共振和原子力顯微鏡，他們進(jìn)一步剖析了clovibactin的作用模式。Clovibactin通過靶向多種必需肽聚糖前體(C₅₅PP、脂質(zhì)II和脂質(zhì)III_WTA)的焦磷酸來阻斷細(xì)胞壁合成。Clovibactin使用一種不尋常的疏水界面緊緊包裹焦磷酸，但繞過了前體的可變結(jié)構(gòu)元素，這是不會產(chǎn)生耐藥性的原因(圖1)。選擇性和有效的靶標(biāo)結(jié)合是通過將前體螯合到超分子原纖維中來實(shí)現(xiàn)的，超分子原纖維僅在含有脂質(zhì)錨定焦磷酸基團(tuán)的細(xì)菌膜上形成。因此，clovibactin具有良好的安全性，對人類細(xì)胞沒有毒性。這種強(qiáng)效抗生素有望設(shè)計出改進(jìn)的治療方法，在不產(chǎn)生耐藥性的情況下殺死細(xì)菌病原體。

2. 抗生素結(jié)合位點(diǎn)的高分辨率景觀

抗生素結(jié)合位點(diǎn)位于必需酶的重要結(jié)構(gòu)域，并已在耐藥性突變的背景下進(jìn)行了廣泛研究。然而，這類研究受到正向選擇的限制。美國紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)和分子藥理學(xué)系Evgeny Nudler團(tuán)隊使用多重基因組工程來克服這一限制，他們制備并表征了760個單殘基突變體，包括大腸桿菌RNA聚合酶(RNAP)的整個利福平結(jié)合位點(diǎn)^[2]。通過基因定位藥物-酶相互作用，他們確定了一個α螺旋的突變顯著改變利福平的結(jié)合效力。他們發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域的突變延長了抗生素的結(jié)合時間，通過誘導(dǎo)致命的DNA斷裂將利福平從抑菌藥物轉(zhuǎn)化為殺菌藥物(圖2)。而利福平的殺菌作用是復(fù)制依賴的，通過在啟動子處引起有害的轉(zhuǎn)錄-復(fù)制沖突而致死。他們還發(fā)現(xiàn)了額外的結(jié)合位點(diǎn)突變，極大地提高了RNAP的酶活，快速消耗細(xì)胞的核苷酸，改變細(xì)胞對不同抗生素的敏感性，并提供冷生長優(yōu)勢。這項(xiàng)研究闡明了抗生素結(jié)合位點(diǎn)是必需酶的多功能結(jié)構(gòu)域，并啟發(fā)了對其他主要抗生素靶標(biāo)的類似表征，以拓寬對抗菌機(jī)制、細(xì)菌生理學(xué)和進(jìn)化的理解。

3. Teixobactin通過對細(xì)胞包膜的雙管齊下攻擊殺死細(xì)菌

Teixobactin是一種新型抗生素，具有獨(dú)特的化學(xué)支架，并且尚無可檢測到的耐藥性。Teixobactin靶向脂質(zhì)II，肽聚糖的前體。荷蘭烏得勒支大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系Bijvoet生物分子研究中心Markus Weingarth團(tuán)隊結(jié)合固態(tài)NMR、顯微鏡、體內(nèi)測定和分子動力學(xué)模擬，在原子水平上揭示了teixobactin的機(jī)制^[3]。Teixobactin獨(dú)特的enduracididine C末端頭基與脂質(zhì)II的焦磷酸糖部分特異性結(jié)合，而N末端與另一個脂質(zhì)II分子的焦磷酸結(jié)合。這種構(gòu)象有利于形成與靶標(biāo)結(jié)合的teixobactin β片，形成超分子原纖維結(jié)構(gòu)(圖3)。與保守的焦磷酸糖部分的特異性結(jié)合解釋了對teixobactin尚無耐藥性的原因。超分子結(jié)構(gòu)損害了膜的完整性。原子力顯微鏡和分子動力學(xué)模擬表明，超分子結(jié)構(gòu)取代磷脂，使膜變薄。脂質(zhì)II的長疏水尾巴集中在超分子結(jié)構(gòu)內(nèi)，有助于膜破壞。Teixobactin只破壞含有脂質(zhì)II的膜，而脂質(zhì)II在真核生物中是不存在的，很好地解決了毒性問題。Teixobactin在抑制肽聚糖合成和破壞膜方面的雙重作用提供了對細(xì)菌細(xì)胞包膜的有效攻擊，對teixobactin機(jī)制的理解將有助于合理設(shè)計和改進(jìn)候選藥物。

參考文獻(xiàn)

[1]Shukla R, Peoples AJ, Ludwig KC, et al. An antibiotic from an uncultured bacterium binds to an immutable target. Cell. 2023;186(19):4059-4073.e27. (IF=64.5)

[2]Yang KB, Cameranesi M, Gowder M, et al. High-resolution landscape of an antibiotic binding site. Nature. 2023;10.1038/s41586-023-06495-6. (IF=64.8)

[3]Shukla R, Lavore F, Maity S, et al. Teixobactin kills bacteria by a two-pronged attack on the cell envelope. Nature. 2022;608(7922):390-396. (IF=64.8)

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