新研究：靶向亚铁离子转运途径的抗菌分子

来源：ACS美国化学会

本期向大家介绍一篇最近发表于ACS Chem. Biol.的文章，题为“Characterization of an Antibacterial Agent Targeting Ferrous Iron Transport Protein FeoB against Staphylococcus aureus and Gram-Positive Bacteria”。本文的通讯作者是来自韩国首尔大学的Younghoon Kim教授以及来自高丽大学的Kyoung Heon Kim教授。

金黄色葡萄球菌是一种致病性很强的病原体，其变异菌株具有很强的抗药性，为临床治疗带来了诸多困难。研究表明，金黄色葡萄球菌的侵染，繁殖与代谢过程高度依赖二价铁离子的摄取，所以抑制亚铁离子的转运可以作为潜在的药物治疗手段。亚铁离子转运系统Feo广泛存在于细菌中，承担着亚铁离子运输的重要功能，可以作为药物靶点。之前的工作中，作者筛选得到了FeoB蛋白(Feo系统的组分之一)的抑制剂GW3965·HCl，该抑制剂可以有效抑制FeoB的酶活，但是它能否作为潜在的抗菌药还未被表征。在本文中，作者全面地表征了该抑制剂的作用机理与抗菌活性，证明了该抑制剂可以通过抑制亚铁离子转运进而有效杀伤金黄色葡萄球菌，乃至杀伤其他革兰氏阳性菌。 

图1. (A) GW3965·HCl的结构；(B) GW3965·HCl与FeoB膜外区域的结合构象；(C) GW3965·HCl抑制FeoB膜外区域的ATP水解酶活性；(D) GW3965·HCl抑制FeoB膜外区域的GTP水解酶活性。

作者首先研究了GW3965·HCl对FeoB酶活的抑制效果。FeoB蛋白由C端的跨膜区域和N端的膜外区域构成，其N端的膜外区域具备ATP水解酶和GTP水解酶活性，从而为亚铁离子转运提供能量。实验数据表明，GW3965·HCl能够有效抑制FeoB的ATP水解酶和GTP水解酶活性(图1C，1D)。分子对接展示了GW3965·HCl与FeoB膜外区域的结合构象(图1B)，并且相比于ATP和GTP，GW3965·HCl与FeoB的结合构象更为稳定。

图2. (A) GW3965·HCl对金黄色葡萄球菌生长的抑制效果；(B) GW3965·HCl抑制Staphyloxanthin的分泌；(C) GW3965·HCl抑制亚铁离子转运；(D) GW3965·HCl影响细菌的三羧酸循环通路。

之后，作者研究了GW3965·HCl对金黄色葡萄球菌生长的抑制效果，实验数据表明，在不同培养基的条件下，10 μM浓度的GW3965·HCl对金黄色葡萄球菌的生长均具有显著的抑制作用(图2A)。之后，作者从几方面说明了GW3965·HCl抑制金黄色葡萄球菌生长的机理：(1)在金黄色葡萄球菌入侵时，会分泌一种抗氧化剂Staphyloxanthin，该抗氧化剂有利于细菌在体内的生存，实验数据表明，在GW3965·HCl的作用下，Staphyloxanthin的分泌会受到抑制，从而使细菌对氧化环境更为敏感(图2B)；(2)GW3965·HCl能够抑制细菌的亚铁离子转运系统Feo，实验数据表明，GW3965·HCl处理能够抑制细菌的亚铁离子转运，GW3965·HCl处理后细菌的生长速度也不再会受到亚铁离子浓度的影响(图2C)，上述现象同样发生于FeoB蛋白敲除的细菌株中，说明GW3965·HCl能够作用于亚铁离子转运系统；(3)作者对GW3965·HCl处理后细菌的代谢组进行了研究，发现以三羧酸循环为代表的诸多代谢通路都受到了影响(图2D)，说明该抑制剂能够调控细菌的代谢。综上，上述实验说明了GW3965·HCl通过影响细菌的诸多生命过程来起到对其生长的抑制作用。 

图3. (A) GW3965·HCl提高被感染线虫的存活率；(B) GW3965·HCl抑制革兰氏阳性菌的生长。

之后，作者在金黄色葡萄球菌感染的线虫上进行实验，发现GW3965·HCl可以显著提高被感染线虫的存活率(图3A)，证明了该药物可以被应用于活体治疗的潜力。最后，作者发现，GW3965·HCl可以抑制多种革兰氏阳性菌的亚铁离子转运系统Feo，进而抑制它们的生长(图3B)，而革兰氏阴性菌则不会受到抑制。作者猜测，由于革兰氏阴性菌外膜的特殊性，许多小分子并不能穿透，GW3965·HCl可能就是因为无法透膜而无法对革兰氏阴性菌起到杀伤作用。

综上，作者全面地表征了GW3965·HCl的作用机理与抗菌活性，表明该抑制剂可以通过多种机制抑制金黄色葡萄球菌等革兰氏阳性菌的生长，展现了GW3965·HCl具备成为广谱抗菌药物的潜力。