[交大智慧]上海交大团队揭示结核病药物开发新靶点

来源:上海交通大学

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        2018年3月27日,《EBioMedicine》杂志(由临床四大期刊之一的《The Lancet》和CNS 期刊《Cell》 联合支持的开源期刊,旨在促进基础医学向临床医学的转化)在线发表了上海交通大学系统生物医学研究院陶生策团队关于结核病(Tuberculosis,TB)治疗新靶点的研究论文,该研究发现结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,Mtb)类泛素连接酶PafA的丝氨酸119位可作为一个非常高效和特异的靶点用于新型抗结核药物的筛选和设计。

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       世界卫生组织(WHO)2017全球结核病报告显示:2016年有超过170万人死于结核病,在众多感染性疾病中,结核病已成为全球头号杀手。而目前的现实是Mtb的耐药性日益增加,同时极度缺乏新的抗结核药物,使得多耐药 (Multi Drug Resistance, MDR),广泛耐药 (Extensive Drug Resistance,XDR) 结核病病人几乎无药可治。MDR和XDR所针对的是传统的抗结核药物和传统的药物靶点,因此,寻找新的高效抗Mtb药物靶点迫在眉睫。

       类泛素-蛋白酶体系统(Pup-Proteasome system,PPS)是Mtb体内一种类似于真核生物泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitin-Proteasome system,UPS)的蛋白质选择性降解,已被证明对Mtb在宿主体内的生存至关重要。在该通路中,PafA作为目前已知的唯一类泛素连接酶,催化类泛素Pup与底物之间的连接反应。序列比对发现PafA在人体里面没有同源蛋白,并且PPS途径在绝大多数肠道微生物里面亦不存在。结合这些特征,我们认为PafA是一个极具潜力的结核病药物靶点。然而MtbPafA的提纯和活性保持困难,蛋白结构尚未被解析,针对其开发抑制剂不易,无相关抑制剂或抑制机制报道。

       在本项工作中,研究人员发现PafA的类泛素连接酶活性在可被丝氨酸蛋白酶抑制剂AEBSF高效抑制。质谱分析表明AEBSF主要通过共价结合丝氨酸119位点发挥抑制作用。进一步,通过模拟AEBSF结合的空间位阻影响,将丝氨酸119位点突变为苯环家族的氨基酸后PafA几乎完全丧失了类泛素连接酶活性。序列分析发现S119所在区域高度保守,因此研究人员利用目前已有的谷氨酸棒状杆菌PafA(PafACglu)的结构进行分析。研究发现S126(S119的同源位点)临近于PafA结合Pup C-末端的凹槽处。分子动力学模拟结果显示对S119进行扰动,如结合AEBSF或突变为苯丙氨酸可造成Pup的C-末端和PafA的结合力减弱,从而抑制了类泛素连接酶活。随后利用生物膜层干涉技术(BLI)和赖氨酸类泛素连接实验验证了这一发现。最后,研究人员在氮饥饿培养基和巨噬细胞中探索了针对S119位点的扰动对分枝杆菌的生存影响。结果显示针对S119位点的扰动可以抑制分枝杆菌在上述条件下的生存。

       综上所述,该研究通过多角度证明了PafA S119位点可作为一个全新的“精确”抗结核靶点用于抗结核药物的筛选和设计。考虑到针对MtbPafA设计抑制剂存在的诸多困难,该研究可为开发特异性靶向MtbPafA的抑制剂提供清晰的方向,为最终攻克耐药性结核病提供可能的选项。在本研究的基础上,陶生策团队已同多方合作在积极开展针对PafA S119的抗结核药物开发,获得了一批有潜力的新化合物,后续工作在稳步推进中。

       上海交通大学系统生物医学研究院陶生策研究员为本文通讯作者。博士生江何伟为第一作者。陶生策研究员的主要研究方向为蛋白质芯片技术的开发和应用以及结核病系统生物学研究。建立了系列特色蛋白质芯片技术平台,并在其基础上开展了与医学密切相关的系统性研究。  

        本研究得到了“十三五”蛋白质机器与生命过程调控重点专项、国家“十二五”传染病重大专项以及国家自然科学基金等资助。  

       论文链接:http://www.ebiomedicine.com/article/S2352-3964(18)30112-9/fulltext