自青霉素問(wèn)世之后的80年來(lái)，我們依賴各種抗生素抵擋細(xì)菌的侵襲,。但隨著耐藥菌不斷涌現(xiàn),，這個(gè)堡壘正變得岌岌可危。以結(jié)核病為例,，據(jù)WHO估計(jì),，僅2006年就有170萬(wàn)人死于結(jié)核病。同時(shí),，耐藥菌株使利福霉素療效大打折扣,。開(kāi)發(fā)對(duì)耐藥菌感染有效的抗生素迫在眉睫,。
最近，三種由黏細(xì)菌(myxobacteria)產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)myxopyronin,、corallopyronin和ripostatin引起廣泛關(guān)注,。在體外研究中，它們對(duì)包括耐藥結(jié)核菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)在內(nèi)的多種細(xì)菌表現(xiàn)出極強(qiáng)活性,。這三種物質(zhì)在上世紀(jì)80—90年代就被分離出來(lái),，但因人們未能探明它們的抗菌作用機(jī)制而被束之高閣。
要將大自然的饋贈(zèng)升華為可人工合成的藥品,，首先需解開(kāi)的謎團(tuán)是：它們?nèi)绾喂テ屏四退幘你~墻鐵壁,？近日，來(lái)自美國(guó)羅格斯大學(xué)和德國(guó)赫爾姆霍茨感染研究中心的科學(xué)家初步揭示了myxopyronin(myx)獨(dú)特的作用位點(diǎn)和機(jī)制,，為基于此類(lèi)天然物質(zhì)合成廣譜高效抗生素邁出破冰一步,。該成果發(fā)表在2008年10月17日的《細(xì)胞》雜志上（Cell 2008，135(2)：295）,。
RNAP有兩個(gè)蟹鉗狀結(jié)構(gòu)域,，“蟹鉗”可圍繞底部“開(kāi)關(guān)區(qū)”進(jìn)行30°旋轉(zhuǎn)而處于閉合(A)或開(kāi)放(B)狀態(tài)。“蟹鉗”開(kāi)放時(shí)允許DNA進(jìn)入并與催化槽相結(jié)合(C),，然后閉合將DNA關(guān)閉在內(nèi)(D),。此時(shí)啟動(dòng)子融合，轉(zhuǎn)錄過(guò)程開(kāi)始,。Myx 與“開(kāi)關(guān)區(qū)”結(jié)合后,，阻止“蟹鉗”開(kāi)放，使DNA不能結(jié)合(E),。
第一步 剖析靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)
Myxopyronin,、corallopyronin和ripostatin的作用靶點(diǎn)是細(xì)菌的RNA聚合酶(RNAP),。對(duì)于抗生素研發(fā)人員,，這是個(gè)很理想的靶點(diǎn)。首先,，它是遺傳轉(zhuǎn)錄過(guò)程中必需的酶,，是細(xì)菌繁殖過(guò)程的關(guān)鍵一環(huán)。其次,，RNAP由各個(gè)亞單位構(gòu)成,，很可能包含多個(gè)小分子結(jié)合位點(diǎn)。此外,，即使是最保守的亞單位,，仍在細(xì)菌與真核細(xì)胞間有足夠差異，使藥物可以特異性地作用于細(xì)菌,。
細(xì)菌RNAP呈蟹鉗樣結(jié)構(gòu),，“蟹鉗”打開(kāi)時(shí)允許DNA進(jìn)入并與催化槽結(jié)合,，然后合攏將DNA關(guān)閉在內(nèi)。這可能與啟動(dòng)子融合過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,，繼而轉(zhuǎn)錄開(kāi)始,。操縱“蟹鉗”開(kāi)關(guān)的鉸鏈由“開(kāi)關(guān)區(qū)”(switch region)基因編碼。
第二步 鎖定結(jié)合位點(diǎn)
研究者篩選出125個(gè)耐myx大腸桿菌菌株,，從中發(fā)現(xiàn)了RNAP“開(kāi)關(guān)區(qū)”內(nèi)13個(gè)獨(dú)特殘基,，其中任何一個(gè)突變均破壞myx結(jié)合，導(dǎo)致菌株耐藥,。這提示“開(kāi)關(guān)區(qū)”是myx的結(jié)合部位,。myx通過(guò)抑制“蟹鉗”的開(kāi)合發(fā)揮變構(gòu)效應(yīng)，具有一種不同于現(xiàn)有抗生素的獨(dú)特機(jī)制,。
有趣的是,，所有13個(gè)殘基在不同細(xì)菌的RNAP中都是保守(即高度相似)的，這可以解釋myx對(duì)G+和G-菌的廣譜抗菌活性,。其中3個(gè)殘基在真核細(xì)胞RNAP中不保守,，允許myx特異性地作用于細(xì)菌。
第三步 探索作用機(jī)制
在一系列體外研究中,，研究者發(fā)現(xiàn),，只有先加myx、后加啟動(dòng)子DNA時(shí),，myx才能抑制啟動(dòng)子融合,，反之則沒(méi)有作用。并且,，如果啟動(dòng)子缺乏DNA雙鏈區(qū),，myx也不能發(fā)揮作用。這提示myx可將“蟹鉗”鎖定于關(guān)閉或半關(guān)閉狀態(tài),，使之不能容納DNA雙鏈,。
Corallopyronin和ripostatin的作用模式可能與myx相似。事實(shí)上,，如果某個(gè)大腸桿菌菌株對(duì)這三種物質(zhì)中的一種耐藥,，幾乎對(duì)另兩種也都耐藥。
自然界產(chǎn)生的抗菌物質(zhì)為什么“偏好”攻擊RNAP集中構(gòu)象改變的位點(diǎn),？答案不得而知,，但作為RNAP不同結(jié)構(gòu)域之間的關(guān)節(jié)，這些位點(diǎn)或許恰似盔甲中的裂縫,，成為利劍易于刺入的薄弱環(huán)節(jié),。
該成果是20年來(lái)細(xì)菌RNAP相關(guān)研究的最新篇章。明確myx-RNAP結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制后,，我們就有可能對(duì)myx的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾,，增強(qiáng)它對(duì)RNAP的親和力和作用效果,，合成廣譜高效的抗生素，使致死性感染患者重獲生機(jī),。（生物谷Bioon.com）
生物谷推薦原始出處：
Cell,，Volume 135, Issue 2, 295-307, 17 October 2008，Jayanta Mukhopadhyay, Eddy Arnold, Richard H. Ebright
The RNA Polymerase Switch Region Is a Target for Inhibitors
Jayanta Mukhopadhyay1,2,4,6,Kalyan Das3,4,6,Sajida Ismail1,2,4,David Koppstein1,2,4,Minyoung Jang1,2,4,Brian Hudson3,4,Stefan Sarafianos3,4,Steven Tuske3,4,Jay Patel3,4,Rolf Jansen5,Herbert Irschik5,Eddy Arnold3,4,,andRichard H. Ebright1,2,4,,
1 Howard Hughes Medical Institute, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA
2 Waksman Institute, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA
3 Center for Advanced Biotechnology and Medicine, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA
4 Department of Chemistry and Chemical Biology, Rutgers University, Piscataway, NJ 08854, USA
5 Helmholtz Centre for Infection Research, Inhoffenstrae 7, D-38124 Braunschweig, Germany
SUMMARY
The α-pyrone antibiotic myxopyronin (Myx) inhibits bacterial RNA polymerase (RNAP). Here, through a combination of genetic, biochemical, and structural approaches, we show that Myx interacts with the RNAP switch regionthe hinge that mediates opening and closing of the RNAP active center cleftto prevent interaction of RNAP with promoter DNA. We define the contacts between Myx and RNAP and the effects of Myx on RNAP conformation and propose that Myx functions by interfering with opening of the RNAP active-center cleft during transcription initiation. We further show that the structurally related α-pyrone antibiotic corallopyronin (Cor) and the structurally unrelated macrocyclic-lactone antibiotic ripostatin (Rip) function analogously to Myx. The RNAP switch region is distant from targets of previously characterized RNAP inhibitors, and, correspondingly, Myx, Cor, and Rip do not exhibit crossresistance with previously characterized RNAP inhibitors. The RNAP switch region is an attractive target for identification of new broad-spectrum antibacterial therapeutic agents.
