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ClpP是原核和真核生物中高度保守的ATP依賴的絲氨酸水解酶，負(fù)責(zé)調(diào)控蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。生理狀態(tài)下，ClpP通過與伴侶蛋白例如ClpX形成ClpXP復(fù)合體發(fā)揮水解酪蛋白的功能。小分子激動金黃色葡萄球菌ClpP(SaClpP)異常降解關(guān)鍵蛋白質(zhì)，是抗生素發(fā)現(xiàn)的新策略。由于異常激活人源ClpP (HsClpP)可引起線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)失調(diào)從而產(chǎn)生細(xì)胞毒性，因此理想的靶向性激動SaClpP的抗生素研究必須充分避免對線粒體HsClpP產(chǎn)生干擾。然而，目前尚未見選擇性的SaClpP激動劑被報道。
針對上述挑戰(zhàn)，上海藥物所楊財廣課題組于2022年11月14日在Nature Communications在線發(fā)表了題為“Anti-infective therapy using species-specific activators of Staphylococcus aureus ClpP”的研究論文。
該研究利用高通量篩選發(fā)現(xiàn)Wnt信號通路抑制劑ICG-001可激動兩種ClpP的酶活。通過對ICG-001進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了一類新骨架ClpP激動劑ZG111通過引起線粒體蛋白穩(wěn)態(tài)失調(diào)抗胰腺癌（Cell Chem Biol, 2022, 29, 1396）。在構(gòu)效關(guān)系研究基礎(chǔ)上，獲得了ZG111的衍生物ZG180，對兩種ClpP的激動活性均顯著提高。在解析ZG180結(jié)合SaClpP與HsClpP的復(fù)合物晶體，以及對比分析SaClpP與HsClpP蛋白序列中發(fā)現(xiàn)，ZG180在SaClpP蛋白結(jié)合口袋處的91位異亮氨酸與HsClpP的同源位置146位色氨酸在空間上具有較大差異。研究人員基于結(jié)構(gòu)差異進(jìn)一步開展設(shè)計，在ZG180中引入手性的甲基取代，得到(R)-和(S)-ZG197。生化實(shí)驗(yàn)表明，其可以選擇性結(jié)合并激動SaClpP，而對HsClpP無明顯激動活性。為此，該研究嘗試解釋其選擇性的作用機(jī)制。首先發(fā)現(xiàn)(S)-ZG197對SaClpPI91W突變體的作用減弱，而針對HsClpP的W146A突變則提高了(R)-ZG197的活性，其次發(fā)現(xiàn)HsClpP中存在著一個較長的C末端基序，而這個序列在SaClpP及其他原核生物的ClpP中缺失。去掉C端的HsClpP后(R)-ZG197的活性提高，而HsClpPW146A及其與C末端基序的聯(lián)合作用可以使(R)-和(S)-ZG197活性增強(qiáng)。
在細(xì)菌水平上進(jìn)一步評價兩個化合物的抗菌效果，發(fā)現(xiàn)(R)-和(S)-ZG197可以有效抑制臨床多藥耐藥菌；體外殺菌實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了(R)-和(S)-ZG197可以在6 h內(nèi)有效清除病原菌；同時與傳統(tǒng)抗生素利福平等聯(lián)用，可以殺死造成慢性感染的持留菌。最后基于斑馬魚和小鼠動物模型，發(fā)現(xiàn)(R)-和(S)-ZG197對耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)感染斑馬魚有顯著的治療作用，且在小鼠皮膚感染模型上可以顯著降低皮膚表面的細(xì)菌載量，從而有效抑制MRSA感染。
該研究獲得了兩個選擇性作用于SaClpP而不影響HsClpP的小分子激動劑，并揭示了實(shí)現(xiàn)選擇性作用的機(jī)制，從概念上驗(yàn)證了針對兩種種屬同源性較強(qiáng)的ClpP蛋白可以實(shí)現(xiàn)選擇性激活。此外，這項(xiàng)工作為治療MRSA感染提供了可能，并推動了新靶點(diǎn)抗生素藥物的發(fā)現(xiàn)。
國科大杭州高等研究院藥學(xué)院與上海藥物所聯(lián)合培養(yǎng)博士生魏柄妍、上海藥物所副研究員張濤，以及國科大杭州高等研究院藥學(xué)院博士后王蓬宇為該論文的第一作者。上海藥物所楊財廣研究員為論文通訊作者。該研究得到了上海科技大學(xué)季泉江課題組、同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院吳文娟課題組、上海藥物所藍(lán)樂夫課題組、復(fù)旦大學(xué)甘建華課題組及上海同步輻射光源、上海公共衛(wèi)生臨床中心、上海藥物所先導(dǎo)專項(xiàng)化合物資源庫的支持，并獲得國家自然科學(xué)基金委的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34753-0
小分子選擇性激動金黃色葡萄球菌ClpP抗耐藥菌感染
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