Novobiocin 主要靶向 Neisseria gonorrhoeae 的 ParE

背景介绍

Neisseria gonorrhoeae（淋病奈瑟菌） 是一种引起淋病的革兰氏阴性细菌，淋病是全球最常见的性传播疾病之一。根据世界卫生组织（WHO）的数据，2020年全球15至49岁人群中新增淋病感染病例达8230万例。然而，随着多重耐药菌株的出现和传播，淋病的治疗变得愈发困难。尽管目前WHO推荐使用头孢曲松（ceftriaxone）联合阿奇霉素（azithromycin）进行治疗，但已有报道显示某些菌株对这两种药物均表现出耐药性。因此，寻找新的抗淋病药物成为当务之急。

Novobiocin（新生霉素） 是一种氨基香豆素类抗生素，最初从 Streptomyces niveus 中分离出来，曾用于治疗由金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）引起的严重感染。Novobiocin 的作用机制是通过抑制 DNA 旋转酶（DNA gyrase）来发挥抗菌作用。然而，与其他细菌不同，Novobiocin 在 Neisseria gonorrhoeae 中的主要靶点尚不明确。本研究旨在揭示 Novobiocin 在 Neisseria gonorrhoeae 中的作用机制，并探讨其作为新型抗淋病药物先导化合物的潜力。

论文来源

本论文由 Yoshimasa Ishizaki、Chigusa Hayashi、Kazuaki Matoba 和 Masayuki Igarashi 共同撰写，他们均来自日本东京的微生物化学研究所（Institute of Microbial Chemistry, Bikaken）。论文于2024年11月22日被接受，并发表在《The Journal of Antibiotics》期刊上，DOI为10.1038/s41429-024-00797-1。

研究流程与结果

1. 研究流程

a) 细菌培养与耐药株筛选

研究首先使用 Neisseria gonorrhoeae DSM9188 菌株作为研究对象，通过两种方法筛选出对 Novobiocin 耐药的突变株： - 连续传代培养法：将细菌在含有亚抑制浓度（sub-MIC）Novobiocin 的培养基中连续传代培养18次，最终获得耐药株。 - 单菌落分离法：将细菌接种在含有16倍 MIC Novobiocin 的琼脂平板上，筛选出耐药菌落。

b) 全基因组测序与突变分析

对筛选出的耐药株进行全基因组测序，发现所有耐药株均在 parE 基因中发生了突变，而在 gyrB 基因中未发现突变。具体突变包括 Thr169Ile 和 Gly75Ser。此外，部分耐药株还在 mtrR 基因中发生了突变，该基因与药物外排泵相关。

c) 基因工程改造

为了验证突变对 Novobiocin 耐药性的影响，研究团队构建了多个基因工程菌株： - parE 突变株：将 parE 基因中的 Ile76 突变为 Met。 - gyrB 突变株：将 gyrB 基因中的 Met82 突变为 Ile。 - 双突变株：同时引入 parE 和 gyrB 的突变。

d) 最小抑菌浓度（MIC）测定

通过微量肉汤稀释法测定 Novobiocin 对各突变株的 MIC 值，结果显示： - parE 突变株：MIC 值显著升高，表明 parE 突变导致 Novobiocin 耐药性增强。 - gyrB 突变株：MIC 值无明显变化，表明 gyrB 突变对 Novobiocin 耐药性无显著影响。 - 双突变株：MIC 值介于 parE 单突变株和野生型之间，表明 gyrB 突变部分恢复了 Novobiocin 的敏感性。

e) 分子建模分析

研究团队利用分子对接软件 GNINA 分析了 Novobiocin 与 parE 和 gyrB 的结合亲和力。结果显示，parE 中的 Ile76 和 gyrB 中的 Met82 是决定 Novobiocin 敏感性的关键位点。通过分子建模，研究团队进一步验证了这些位点对 Novobiocin 结合的影响。

2. 主要结果

• Novobiocin 的主要靶点是 parE：与 Escherichia coli 和 Staphylococcus aureus 等细菌不同，Novobiocin 在 Neisseria gonorrhoeae 中的主要靶点是 DNA 拓扑异构酶 IV 的 parE 亚基，而非 DNA 旋转酶的 gyrB 亚基。
• parE 和 gyrB 的氨基酸多态性：Neisseria gonorrhoeae 的 parE 和 gyrB 中存在独特的氨基酸多态性（Ile76 和 Met82），这些多态性决定了 Novobiocin 的敏感性。
• 双靶点抑制剂的潜力：研究结果表明，设计能够同时抑制 parE 和 gyrB 的双靶点 Novobiocin 衍生物可能具有更强的抗淋病活性，并且能够延缓耐药性的产生。

3. 结论与意义

本研究揭示了 Novobiocin 在 Neisseria gonorrhoeae 中的独特作用机制，即其主要靶点是 parE 而非 gyrB。这一发现为开发新型抗淋病药物提供了重要的理论依据。通过设计能够同时抑制 parE 和 gyrB 的双靶点抑制剂，有望开发出更有效的抗淋病药物，并减少耐药性的产生。

4. 研究亮点

• Novobiocin 靶点的重新定义：本研究首次明确 Novobiocin 在 Neisseria gonorrhoeae 中的主要靶点是 parE，这一发现挑战了传统认知。
• 独特的氨基酸多态性：Neisseria gonorrhoeae 的 parE 和 gyrB 中存在独特的氨基酸多态性，这些多态性决定了 Novobiocin 的敏感性。
• 双靶点抑制剂的潜力：研究结果为开发双靶点抑制剂提供了新的思路，具有重要的应用价值。