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近日，北京理工大學化學與化工學院梁建華教授與美國伊利諾伊大學芝加哥分校核糖體生化專家Alexander S. Mankin教授和核糖體晶體結構學家Yury S. Polikanov副教授合作，在設計不同作用機制的抗耐藥菌大環內酯取得重要進展。相關成果以“Macrolones target bacterial ribosomes and DNA gyrase and can evade resistance mechanisms”為題發表于國際頂刊《Nature Chemical Biology》。通訊單位是伊利諾伊大學芝加哥分校和北京理工大學，伊利諾伊大學芝加哥分校的Elena V. Aleksandrova, 北京理工大學化學與化工學院的博士生馬聰璇和伊利諾伊大學芝加哥分校的Dorota Klepacki為共同第一作者，梁建華教授，Yury S. Polikanov副教授和Alexander S. Mankin教授為共同通訊作者。

目前臨床半數抗生素作用于核糖體，核糖體的結構非常龐大和復雜，其結構和功能的解析在2000年左右取得突破，三位研究者萬卡特拉曼-萊馬克里斯南、托馬斯-施泰茨和阿達-尤納斯因此獲得2009年諾貝爾化學獎。大環內酯類藥物如紅霉素、克拉霉素、阿奇霉素等因為其副作用少，安全性高被廣泛用于上下呼吸道細菌性感染的治療。然而抗生素的長期使用以及細菌的進化使得細菌耐藥性日益嚴重，其中erm耐藥基因表達的甲基化酶會導致骨架迥異的大環內酯類、林可酰胺類和鏈陽菌素B類的共同抗菌作用位點即核糖體A2058被甲基化修飾，這類交叉耐藥性被稱作MLS_B類耐藥。為了得到能夠抗耐藥菌且減緩細菌耐藥突變的抗生素，使用藥效團融合策略將大環內酯與喹諾酮連接得到的雜合物——“macrolone”有可能突破目前的MLS_B類耐藥，然而當前研究存在的局限性是：一方面目前其他課題組報道的大環內酯和喹諾酮的雜合物不具有雙靶標模式，仍然只作用于核糖體；另一方面目前已知的抗耐藥菌靶點為核糖體堿基A752-U2609，代表性上市藥物是泰利霉素，但是其抗高水平耐藥菌仍有很大不足，目前其他同質性抗生素未能獲得上市批準，亟需針對耐藥機制尋找新的核糖體作用位點。

近十余年來，梁建華團隊在抗耐藥菌大環內酯上不斷迭代設計，從數百種抗耐藥菌大環內酯中挑選了3種代表性的“macrolone”結構，與Yury S. Polikanov副教授和Alexander S. Mankin教授合作進行了機制研究。通過體內雙基因報告（圖a）和體外蛋白翻譯轉錄抑制實驗以及DNA超螺旋抑制實驗確定三種結構的主要作用靶標是不同的，分別是MCX-91主要作用于核糖體、MCX-66主要作用于DNA促旋酶、MCX-128能夠同時作用于核糖體以及DNA促旋酶。模式菌 Thermus thermophilus 核糖體與這三個化合物的高分辨率復合物晶體結構（分辨率是2.35?-2.60?）顯示作用于核糖體的C2586-C1782新位點（圖b），這與我們先前臨床病原菌金黃色葡萄球菌（MRSA）核糖體與化合物MCX-190的復合物冷凍電鏡結構解析結果一致（Cell Discovery, 2024, 10（75），DOI : 10.1038/s41421-024-00702-y）。兩種不同的核糖體結構解析技術相互印證了我們的化合物在不同菌株中均能作用于新位點C2586-C1782；并且MCX-128對于A2058雙甲基化的模式菌核糖體也能夠緊密結合，證明了其較好的抗耐藥菌的新模式。而后我們又對化合物的抑制蛋白質翻譯特征以及是否誘導細菌產生耐藥特性進行了研究，通過toeprinting技術對化合物抑制蛋白翻譯的停止位點研究發現，傳統紅霉素允許翻譯的肽鏈長度較長，而MCX系列化合物在翻譯較短肽鏈時即可停止（圖c）；紅霉素會誘導erm耐藥基因表達，但MCX系列化合物則不會誘導耐藥基因表達，因此MCX系列化合物具有不同于以往大環內酯的新作用模式。特別需要指出的是，化合物MCX-128具有雙靶標作用機制，藥物在使用過程中當單一靶標突變時，化合物MCX-128作用另一靶標則能夠有效地抑制單靶標突變的菌株，使其無法幸存下來，因此在MCX-128對抗下細菌很難同時在核糖體以及DNA促旋酶同時發生自發突變（圖d），而相比之下單作用機制的化合物MCX-66和MCX-91較容易產生突變菌株。這樣既不容易誘導耐藥基因表達，又不容易使細菌產生自發突變的藥物在臨床使用具有很大的優勢。

化合物的作用機制

該項研究證實通過合理藥物設計能夠控制大環內酯與喹諾酮雜合物的主要作用靶標，啟發人們意識到藥物設計的新化學空間。同時，我們基于核糖體的新作用位點創造性地設計了一個喹諾酮骨架藥效團，使化合物既作用于核糖體新位點又作用于拓撲異構酶，一石二鳥。在本研究中，喹諾酮抗生素通過合理設計再利用，能作為一個藥效團作用于非傳統的核糖體靶標，這極大拓展了經典抗生素再應用的新思路。

上述研究工作得到了國家自然科學基金項目、國家研發重點計劃-合成生物學專項的支持。

論文信息：https://www.nature.com/articles/s41589-024-01685-3

Elena V. Aleksandrova#, Cong-Xuan Ma#, Dorota Klepacki#, Faezeh Alizadeh, Nora Vázquez-Laslop, Jian-Hua Liang*, Yury S. Polikanov*, Alexander S. Mankin*. Macrolones target bacterial ribosomes and DNA gyrase and can evade resistance mechanisms. Nature Chemical Biology, 2024, DOI: 10.1038/s41589-024-01685-3

附通訊作者簡介：

梁建華，教授，博士生導師，北京市優秀人才，新藥創制與綠色合成研究所所長，醫藥分子科學與制劑工程工信部重點實驗室副主任。研究方向為藥物化學，致力于治療各種重大疾病的相關創新藥物開發，研究興趣包括抗耐藥菌抗炎藥物、抗神經退行性藥物和抗糖尿病藥物等領域。目前主持參與國家研發重點計劃項目、科技創新2030重大項目、國家自然科學基金以及北京市自然科學基金等課題項目。在Cell Discovery、Eur. J. Med. Chem.、Bioorg. & Med. Chem.、Bioorg. & Med. Chem. Lett.、Curr. Med. Chem.、Curr. Top. Med. Chem.、J. Antibiotics等主流學術期刊上發表通訊作者論文30余篇，第一發明人授權中國專利11項、美國專利1項和PCT專利4項。