現(xiàn)代醫(yī)學(xué)依靠抗生素通過破壞細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)的靶標(biāo)來治療細(xì)菌感染。一旦進(jìn)入這些細(xì)胞，抗生素就會(huì)與特定酶靶標(biāo)上的某些位點(diǎn)結(jié)合，從而阻止細(xì)菌生長。編碼這些靶標(biāo)的基因會(huì)自然發(fā)生隨機(jī)變化（突變），在某些情況下會(huì)使抗生素難以附著在靶標(biāo)上，從而使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。

因此，隨著時(shí)間的推移，抗生素使用得越多，細(xì)菌種群進(jìn)化出對現(xiàn)有抗生素產(chǎn)生耐藥性的突變體的可能性就越大，人們就越迫切地需要新的方法來防止抗生素治療過時(shí)。

幾十年來，科學(xué)家們一直在研究耐藥性突變，希望通過相關(guān)機(jī)制來指導(dǎo)設(shè)計(jì)克服耐藥性的新療法。然而，這種努力一直受到限制，因?yàn)樽匀话l(fā)生的耐藥性突變只占可能發(fā)生的突變（完整的突變空間）的一小部分，而且迄今為止，大多數(shù)藥物結(jié)合位點(diǎn)突變都被忽視了。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，在一項(xiàng)新的研究中，來自美國紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院的研究人員應(yīng)用了一種名為多重自動(dòng)化基因組工程（Multiplex Automated Genome Engineering，MAGE）的技術(shù)產(chǎn)生了大腸桿菌中涉及抗生素利福平（rifampicin）結(jié)合的RNA 聚合酶（RNAP）的全部突變清單，其中在這種細(xì)菌中，利福平附著在它的RNAP上并使其失效。相關(guān)研究結(jié)果于2023年8月30日在線發(fā)表在Nature期刊上，論文標(biāo)題為“High-resolution landscape of an antibiotic binding site”。

這些作者用自然界中存在的 20種氨基酸的每一種分別替換了構(gòu)成大腸桿菌利福平結(jié)合位點(diǎn)的 38 個(gè)氨基酸殘基，從而制造出了 760種獨(dú)特的 RNAP 突變體。他們?nèi)缓笤诎ɡＦ教幚碓趦?nèi)的不同條件下測試了這系列突變體的生長情況。

這些作者發(fā)現(xiàn) L521Y 和 T525D 這兩種突變體對利福平非常敏感。這種抗生素不僅能阻止這些突變體生長，還能幾乎消滅這兩種突變細(xì)菌種群。他們說，這是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槔Ｆ酵ǔ２粫?huì)殺死大腸桿菌或許多其他細(xì)菌病原體，而只是阻止它們生長。

在利福平結(jié)合位點(diǎn)產(chǎn)生所有的單密碼子替換。圖片來自Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06495-。

論文共同通訊作者、紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子藥理學(xué)系教授Evgeny Nudler 博士說，“這項(xiàng)研究提供了抗生素與細(xì)菌 RNAP 相互作用的圖譜，這對化學(xué)家們來說很有價(jià)值，他們可以通過改變利福平和其他抗生素的結(jié)構(gòu)，而不是細(xì)菌結(jié)合位點(diǎn)殘基，使它們結(jié)合得更緊密，從而提高藥效。我們的研究結(jié)果還提出了改進(jìn)利福平與變形菌（proteobacteria）、放線菌（actinobacter）和厚壁菌結(jié)合能力的方法，這些細(xì)菌群體包括天然 RNAP 突變，使它們?nèi)菀资艿嚼Ｆ降挠绊??！?/p>

利福平如何殺死細(xì)菌

這項(xiàng)新研究中產(chǎn)生的RNAP突變體揭示了利福平通過阻滯RNAP來殺死細(xì)菌，因此造成了RNAP與在細(xì)胞分裂和增殖時(shí)在同一分子空間中復(fù)制DNA的細(xì)胞分子機(jī)器之間的碰撞。這反過來又會(huì)造成細(xì)菌 DNA 雙鏈的致命斷裂。

這項(xiàng)新研究還發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌 RNAP 結(jié)合位點(diǎn)的一些突變大大提高了 RNA合成RNA鏈 的速度，因此也提高了它消耗原材料（包括嘧啶等核苷酸構(gòu)成單元）的速度。

這些作者說，這項(xiàng)性研究對了解核苷酸類似物（如抗癌藥物5-氟尿嘧啶）的作用機(jī)制具有重要意義。他們說，了解核苷酸耗竭如何使細(xì)胞對核苷酸供應(yīng)敏感，可能有助于設(shè)計(jì)新的聯(lián)合療法。

論文共同通訊作者、紐約大學(xué)格羅斯曼醫(yī)學(xué)院研究員Aviram Rasouly博士說，“這些技術(shù)可能用于繪制其他類型藥物的結(jié)合位點(diǎn)圖譜，尤其是那些容易產(chǎn)生耐藥性的位點(diǎn)?！保?a >生物谷 Bioon.com）

參考資料：

1. Kevin B. Yang et al. High-resolution landscape of an antibiotic binding site. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-023-06495-6.

2. Newly Engineered Bacterial Enzyme Versions Reveal How Antibiotics Could Be More Potent
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