基于结构导向开发选择性酪蛋白水解蛋白酶P激动剂作为抗金黄色葡萄球菌药物的研究

学术背景

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是一种常见的革兰氏阳性病原菌，能够引发多种人类感染，包括皮肤和软组织感染。随着耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的广泛传播，抗生素的使用频率增加，导致耐药性问题日益严重。然而，由于抗生素研发成本高昂且利润较低，大型制药公司对抗菌药物的研发兴趣逐渐减弱。因此，寻找新的抗菌靶点和开发有效的抗生素成为当前的重要挑战。

酪蛋白水解蛋白酶P（Caseinolytic protease P, ClpP）是一种在细菌和人类中高度保守的丝氨酸蛋白酶，在蛋白质质量控制中发挥关键作用，通过降解错误折叠的蛋白质来维持细胞稳态。ClpP的失调已被证明会影响多种病原菌的毒力和感染性。因此，ClpP被认为是一个有潜力的抗菌靶点。然而，选择性激活金黄色葡萄球菌的ClpP（SaClpP）而不激活人类的ClpP（HsClpP）仍然是一个巨大的挑战。

论文来源

该研究由Tao Zhang、Pengyu Wang、Hailing Zhou等研究人员共同完成，研究团队来自中国科学院上海药物研究所、中国科学院大学杭州高等研究院、南京中医药大学等多个机构。论文于2024年12月17日发表在《Cell Reports Medicine》期刊上，题为“Structure-guided development of selective caseinolytic protease P agonists as antistaphylococcal agents”。

研究流程与结果

1. 选择性SaClpP激动剂的设计与合成

研究团队基于结构导向的设计策略，开发了选择性激活SaClpP的激动剂ZG297。通过分析SaClpP和HsClpP的疏水结合口袋，研究人员发现SaClpP的结合口袋体积较大，而HsClpP的结合口袋较小。基于这一发现，研究人员设计并合成了多个ZG180衍生物，通过替换萘基团来优化激动剂的活性和选择性。最终，ZG297表现出优异的SaClpP激活活性和选择性，其活性显著高于先前开发的（R）-ZG197。

2. ZG297与SaClpP的相互作用研究

通过差示扫描荧光法（DSF）和细胞热转移实验（CETSA），研究人员证实了ZG297与SaClpP的强结合亲和力，并且不会显著激活HsClpP。此外，通过X射线晶体学解析了ZG297与SaClpP的复合物结构，发现ZG297通过多个氢键和疏水相互作用与SaClpP结合，进一步验证了其选择性。

3. ZG297的抗金黄色葡萄球菌活性

在体外实验中，ZG297对多种MRSA菌株表现出显著的抗菌活性，其最小抑菌浓度（MIC）值低于其他ClpP激动剂，如ONC212和（R）-ZG197。在体内实验中，ZG297在蜡螟幼虫、斑马鱼和小鼠皮肤感染模型中均表现出优异的抗菌效果。特别是在小鼠皮肤感染模型中，ZG297显著减少了感染部位的细菌负荷和坏死面积。

4. ZG297的安全性评估

ZG297在哺乳动物细胞中的细胞毒性较低，其治疗窗口显著优于其他ClpP激动剂。在小鼠急性毒性实验中，ZG297未引起明显的毒性反应，表明其具有良好的安全性。

结论与意义

该研究成功开发了一种选择性激活SaClpP的激动剂ZG297，其在体外和体内均表现出优异的抗金黄色葡萄球菌活性，并且具有较高的安全性。ZG297的发现为开发新型抗MRSA感染药物提供了新的思路，具有重要的科学和应用价值。

研究亮点

1. 选择性激活SaClpP：ZG297通过结构导向设计，能够选择性激活SaClpP而不激活HsClpP，解决了ClpP激动剂的物种选择性难题。
2. 优异的抗菌活性：ZG297对多种MRSA菌株表现出显著的抗菌活性，其效果优于现有的ClpP激动剂和部分传统抗生素。
3. 良好的安全性：ZG297在哺乳动物细胞和小鼠模型中表现出较低毒性，具有较高的治疗窗口。
4. 结构导向设计策略：该研究通过分析ClpP结合口袋的结构差异，成功开发了具有高选择性的激动剂，为未来抗菌药物的开发提供了新的方法。

其他有价值的信息

该研究还探讨了ZG297与利福平联合使用的效果，发现联合用药能够显著减少MRSA的细菌负荷，表明ZG297在治疗深部慢性感染方面具有潜在的应用前景。未来研究将进一步优化ZG297的化学物理性质，并评估其在其他感染模型中的效果。