一箭双雕：双功能的硝基咪唑类抗生素

英文原题：Indolin-2-one Nitroimidazole Antibiotics Exhibit an Unexpected Dual Mode of Action

通讯作者：Stephan A. Sieber教授，慕尼黑工业大学

供稿人：毕云鹏 北京大学

大家好，今天为大家介绍一篇ACS Chemical Biology文章，题目为“Indolin-2-one Nitroimidazole Antibiotics Exhibit an Unexpected Dual Mode of Action”。本文的通讯作者是来自慕尼黑工业大学的Stephan A. Sieber教授。本文中，作者研究并发现了2-吲哚酮硝基咪唑特有的双功能抗菌机理：在抑制DNA拓扑异构酶活性的同时，通过自身被还原的过程对活性分子造成不可逆的损伤，这一发现有望于为研发新型抗生素提供指导，同时减缓细菌抗药性的产生。

自青霉素问世以来，大量且结构多样的抗生素已经被用于临床治疗细菌感染，然而，其中部分抗生素的作用机理仍未被阐明。其中，硝基咪唑类抗生素在治疗由幽门螺杆菌、艰难梭菌等厌氧菌引起的感染中有着重要的作用，对其抗菌机理常见的解释为抗生素在酶促反应下，硝基被还原并生成活性分子并于DNA、蛋白质等反应导致氧化应激与损伤，而这一过程中生成的活性分子在需氧细菌中则会被快速被氧化失活，因而硝基咪唑类抗生素仅对厌氧菌有着良好的杀伤效果。然而，在最近的研究中（J Antibiot. 2018, 71, 887），一种含2-吲哚酮取代基的硝基咪唑抗生素对需氧菌有着明显的杀伤效果，可能有着与其他硝基咪唑类抗生素不同的抗菌机理。基于上述结果，作者对2-吲哚酮硝基咪唑的抗菌机理进行了研究。

图1. 2-吲哚酮硝基咪唑的结构、抗菌活性及作用后细菌内蛋白质组变化。

首先，作者合成了2-吲哚酮硝基咪唑并对其抑菌功能进行了验证（图1）。实验结果表明，其在铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌及大肠杆菌都有着微摩尔级的最低抑菌浓度（MIC），而甲硝唑这一缺少2-吲哚酮结构的商业化硝基咪唑药物则对这几种细菌没有明显的杀伤作用。随后，通过液相二级质谱对抗生素处理后的蛋白质组进行分析鉴定，作者发现了25种相比与DMSO处理的对照组，丰度发生显著变化的蛋白质，包括抗阻遏蛋白、DNA结合蛋白等等，潜在说明其作用机理可能与DNA损伤及修复相关。

图2.基于活性蛋白质表达谱（ABPP）的抗生素作用位点鉴定。

接下来，作者对这一抗生素在细菌内的作用底物蛋白进行了鉴定（图2）。基于经典的ABPP技术，作者合成了四种由2-吲哚酮硝基咪唑衍生的探针并对其MIC进行了测试，结果表明活性探针ABP3与ABP2在金黄色葡萄球菌种有着理想的功能。通过将活性及失活探针处理后的蛋白质组进行鉴定与分析，作者发现在活性探针处理的组别中，DNA拓扑异构酶Ⅳ的B亚基（parE）有着明显的富集，且这一蛋白与DNA修复有着重要的关系。

图3.DNA拓扑异构酶与抗生素的相互作用验证。

因此，作者接下来在体外实验中对2-吲哚酮硝基咪唑与DNA拓扑异构酶Ⅳ的相互作用进行了验证（图3）。结果表明，该抗生素与拓扑异构酶Ⅳ有着明显的结合，其半抑制浓度与已有的拓扑异构酶Ⅳ抑制剂环丙沙星较为接近。此外，作者发现当除去抗生素中的迈克尔受体双键后，其结合拓扑异构酶Ⅳ的能力明显下降，表明这一结构对抗生素的抑菌能力至关重要。

图4.2-吲哚酮硝基咪唑的氧化还原电势测定

最后，作者对该抗生素的氧化还原电势进行了测定（图4）。通过循环伏安法，作者发现这一抗生素相比于其他硝基咪唑类化合物有着更高的氧化还原电位，间接说明了这一抗生素在被还原过程中形成的活性物种不容易被氧气快速淬灭，从而能够与其他DNA，蛋白质结合，导致氧化应激与损伤。

总而言之，本文对2-吲哚酮硝基咪唑在需氧菌中的抗菌机理进行了研究，发现在致病性金黄色葡萄球菌中的双功能：这一抗生素能有效结合DNA拓扑异构酶Ⅳ；而循环伏安实验则表明其更大的共轭体系提高了氧化还原电位，有利于硝基的还原并通过经典的机理对细菌造成杀伤。这一研究结果有望于指导未来抗生素的开发，同时为减缓细菌抗药性的产生提供新的思路。

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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