研究發現選擇性激動SaClpP的新型抗生素

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，負責調控蛋白質穩態。生理狀態下，ClpP通過與伴侶蛋白例如ClpX形成ClpXP復合體發揮水解酪蛋白的功能。小分子激動金黃色葡萄球菌ClpP(SaClpP)異常降解關鍵蛋白質，是抗生素發現的新策略。由于異常激活人源ClpP (HsClpP)可引起線粒體蛋白穩態失調從而產生細胞毒性，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，上海藥物所楊財廣課題組于2022年11月14日在Nature Communications在線發表了題為“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現Wnt信號通路抑制劑ICG-001可激動兩種ClpP的酶活。通過對ICG-001進行結構優化，實現了一類新骨架ClpP激動劑ZG111通過引起線粒體蛋白穩態失調抗胰腺癌（Cell Chem Biol, 2022, 29, 1396）。在構效關系研究基礎上，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結合SaClpP與HsClpP的復合物晶體，以及對比分析SaClpP與HsClpP蛋白序列中發現，ZG180在SaClpP蛋白結合口袋處的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。研究人員基于結構差異進一步開展設計，在ZG180中引入手性的甲基取代，得到(R)-和(S)-ZG197。生化實驗表明，其可以選擇性結合并激動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制。首先發現(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，其次發現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末端基序的聯合作用可以使(R)-和(S)-ZG197活性增強。

在細菌水平上進一步評價兩個化合物的抗菌效果，發現(R)-和(S)-ZG197可以有效抑制臨床多藥耐藥菌；體外殺菌實驗也證實了(R)-和(S)-ZG197可以在6 h內有效清除病原菌；同時與傳統抗生素利福平等聯用，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，發現(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，并揭示了實現選擇性作用的機制，從概念上驗證了針對兩種種屬同源性較強的ClpP蛋白可以實現選擇性激活。此外，這項工作為治療MRSA感染提供了可能，并推動了新靶點抗生素藥物的發現。

國科大杭州高等研究院藥學院與上海藥物所聯合培養博士生魏柄妍、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季泉江課題組、同濟大學附屬東方醫院吳文娟課題組、上海藥物所藍樂夫課題組、復旦大學甘建華課題組及上海同步輻射光源、上海公共衛生臨床中心、上海藥物所先導專項化合物資源庫的支持，并獲得國家自然科學基金委的資助。

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