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王恩多等发现抗肺炎球菌的亮氨酰-tRNA合成酶的小分子抑制剂

日期:2013-08-23 00:00:00

国际学术期刊Nature Publishing Group的《Scientific Reports》在线发表了中科院上海生科院生化与细胞所王恩多研究组与上海交通大学药学院周虎臣教授合作完成的最新研究成果— “Discovery of a potent benzoxaborole-based anti-pneumococcal agent targeting leucyl-tRNA synthetase”。研究论文报道了一种抗肺炎球菌的亮氨酰-tRNA合成酶(LeuRS)的新型小分子抑制剂—6-(1-苯-1-羟甲基)-1,3-二氢-1-羟基-2, 1-苯并硼烷(代号ZCL039),阐明了其作用机制,并初步揭示了苯并硼环类化合物在抗微生物感染药物研发中的应用潜力。

肺炎球菌是细菌性肺炎的主要致病菌,在全球范围内引发高致病率和死亡率,每年约有200万儿童死于肺炎球菌感染,因此它也被称为儿童的“头号杀手”。近年来,随着临床上耐多药肺炎球菌的普遍蔓延,该疾病的治疗也受到严重威胁,因此向新型抗肺炎球菌药物的研发提出了迫切需要。LeuRS是新型抗生素药物的理想靶点,在细胞翻译过程中发挥重要作用。以5-氟-1,3-二氢-1-羟基-2, 1-苯并硼烷(代号AN2690)为代表的苯并硼环类抗真菌药物就是靶向LeuRS的一个成功例子。这类化合物作用于LeuRS的编校结构域而发挥抑制作用。可惜AN2690也抑制人源的LeuRS,只能外用。已有的结构生物学研究表明,真核和细菌来源的LeuRS在编校结构域上存在一定的差异,这些为以 LeuRS为靶点的专一性抗生素的研发提供了基础。

在这项研究工作中,周虎臣教授以AN2690为前体,以同源细菌LeuRS结构为基础,设计并合成了一系列衍生物。王恩多研究组胡庆华和刘如娟博士通过肺炎球菌LeuRS活力测定体系检测了这些化合物的活性,发现了具有较强抑制活性的化合物ZCL039。进一步的比较了ZCL039对大肠杆菌、人胞质和人线粒体等不同物种来源LeuRS的活性,结果表明ZCL039具有较好的原核物种选择性。抑菌实验结果显示,ZCL039能显著抑制肺炎球菌的生长,其活力为氨苄青霉素的1/80。借助生物化学、酶抑制动力学和X-衍射结构生物学等手段,进一步地揭示了ZCL039的反竞争性作用抑制机制,即 ZCL039与tRNALeu的3’末端共价结合,在编校结构域形成一个稳定的加合物,从而阻断了tRNA的氨基酰化反应,抑制了下一步的蛋白质翻译。为了阐明ZCL039的物种选择性,他们将其拟合到真核和古菌的LeuRS编校结构域中,发现这些物种中特有的一段插入I4ae螺旋正好与ZCL039发生空间上的碰撞,从而将ZCL039排除到结合口袋之外。

这项研究揭示了苯并硼环类化合物在肺炎球菌感染性疾病治疗中的潜在应用价值,为以ZCL039为先导化合物的抗肺炎球菌药物设计和优化提供了结构基础。

该工作得到了第二军医大学微生物重点实验室潘卫教授的帮助,获得国家基础研究基金、国家自然科学基金、中科院等的经费资助。相关的研究成果已申请了发明专利。

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