微生物药物靶标 课程论文.doc

微生物药物靶标摘要： 微生物作为抗生素的重要来源,在发掘抗耐药菌新型抗生素的研究中承担了重要角色,许多微生物来源的天然化合物展现了显著的抗耐药菌活性。在 因组学、蛋白质组学与生物信息学等技术的推动下，一些新的微生物药物靶标寻找方法应运而生了。靶标可根据作用对象，作用原理等进行分类。许多新型的药物靶标被发现，如以群体感应为靶标，调控群体感应过程中的关键步骤可以达到治疗感染性疾病的目的。关键词：微生物 药物 靶标 群体感应微生物耐药性问题日益严重,很多病原微生物,例如结核分枝杆菌和恶性疟原虫等对人类生命健康造成了极大的威胁,开发新的抗菌药物迫在眉睫。微生物作为抗生素的重要来源,在发掘抗耐药菌新型抗生素的研究中承担了重要角色,许多微生物来源的天然化合物展现了显著的抗耐药菌活性。这些天然化合物本身或其改造后的产物已经成为医疗领域中主要使用的药物；同时，在农业领域的病虫害防治上也有重要的应用。它们进入细胞与特定的生物分子即靶标相结合 ，通过靶标影响整个细胞及组织的功能，起到特定的治疗或预防作用。微生物药物靶标在整个过程中起关键作用。1 微生物候选药物靶标的选择候选药物靶点(标) 的条件之一是微生物生存或致病所必需。 目前微生物的毒力因子和保守基因为主要的药物靶标。细菌毒力因子包括黏附素,侵袭素,内、外毒素以及细菌超抗原与革兰氏阴性 (G - )菌的型分泌系统等。1.1 微生物生存相关的药物靶标 目前临床应用的抗生素主要包括 -内酰胺类、氨基糖苷类、四环素类、氯霉素类、大环内酯类、喹诺酮类、磺胺类等,其作用机制主要包括抑制细菌细胞壁合成和损伤细胞膜功能、影响蛋白质合成、抑制核酸合成等过程,这些抗生素的作用点都是细菌生存所必需。广谱抗生素的作用靶点为多种细菌中保守的蛋白。 在多个物种中高度保守的基因很可能就是生存必需的基因,可通过比较不同物种尤其是进化距离比较远的物种之间寻找保守基因。1.2 微生物致病和毒力相关的药物靶标 微生物致病和毒力相关的一些基因产物为微生物非必需,针对这些药物靶点的药物可降低微生物的致病力但并不能杀灭它们,例如,结核分枝杆菌 fbpA 和sapM 基因双敲除后,其毒力降低。 将这两个基因克隆后发现它们属于结核分枝杆菌的非必需基因。另外,致病性 G - 菌的型分泌系统(type secretion system,T3SS) 主要位于细菌致病岛中,编码其输送系统的基因高度保守,编码 20 多种基因产物。 不同的病原菌之所以能够产生不同的疾病和症状,可能是因为它们分泌不同的蛋白质,作用于不同的宿主细胞和分子。 耶尔森菌可分泌 10 多种效应分子,并将它们分别注入宿主细胞,其中 YopE 和YopH 可修饰巨噬细胞蛋白,破坏细胞的功能,使巨噬细胞不能够吞噬和杀伤该菌;YopJ/ P 蛋白抑制MAPK 和 NF-B 信号通路,抑制促炎细胞因子和趋化因子(TNF-、IL-8、IL-12 和 IL-18 等) 的产生,诱导细胞凋亡。1.3 可作为药物靶标的其他分子其他一些分子也可成为潜在的药物靶点,例如 G - 菌的外膜蛋白参与黏附侵袭、受体识别、物质转运和防护等功能,在细菌生理活动中发挥重要作用。RNA分子也能作为药物靶点,例如大环内酯类药物的作用靶标为 rRNA。 氨基糖苷类,大环内酯类,四环素类,氯霉素类等抗生素可作用于 tRNA 的前体、修饰及成熟等生物合成环节。近年来,人们发现细菌生物被膜(bacterial biofilm)可阻挡抗生素的渗入和机体免疫分子的杀伤作用;此外,生物被膜内的细菌彼此间还可发生信号转移、耐药基因和毒力因子捕获与转移,也是抗细菌药物的潜在靶标。2微生物药物靶标寻找方法药物与细胞内靶标相互作用，是药物发挥作用的基础。这种相互作用有的是可逆结合，有的是不可逆结合；而且这些药物的靶标可能是一个，也可能是多个。 传统的小分子药物靶标寻找方法主要有同位素示踪法 和紫外及荧光光谱法 。近年来随着基因组学技术、蛋白质组学技术及生物信息学技术的广泛应用与发展 ，一些高通量、高效率的新药物靶标寻找方法相继产生，它们大多是从基因组或蛋 白质组的整体水平上来寻找药物靶标。 这些技术 的应用大大加快了药物靶标寻找的速度，也为进一步分离活性微生物次生代谢物提供了大量的靶标资源，有助于进一步寻找新的高效药物。 其中，基因组学的方法主要是通过分析基因组表达情况研究药物对生物体造成的影响，推测未知功能药物的作用方式；蛋白质组学的方法则主要是直接寻找药物影响的蛋白质 ，为小分子药物靶标发现提供直接的证据。2.1 基于基因组学的小分子药物靶标寻找方法比较基因组学是在基因组图谱和测序的基础上,利用某个基因组研究获得的信息推测其他原核生物、真核生物类群中的基因数目、位置、功能、表达机制和物种进化的学科,从而获得有关微生物物种进化与分类、相关毒力因子、药物靶标的信息,并将其及早应用于预防诊断和治疗微生物感染性疾病。比较基因组学通过对不同物种或者不同个体的基因组数据进行比较分析,揭示彼此间的相似性和差异性,以了解不同物种间或者不同种群间在功能上、进化上的特征。 目前,超过 39 000 个基因组测序,大约 3 000 个微生物全基因组测序已经完成,每年有500 个新种被发现。综合这些信息能够为进一步探究病原菌的致病机制、生理生化特点、种群多态性和进化研究提供新的途径。 大约 30% 40% 药物实验的失败是由于选择的靶标不合适。 微生物中的必需基因很多(占10% 15% ),其中许多基因缺乏详细注释,给选择优化带来困难。 全基因组测序及生物信息技术应用于微生物基因组信息的研究,为比较基因学研究提供有力支撑。 因此,有必要通过比较基因组学,选出临床上主要病原微生物的共有基因作为候选药物靶标,而且确保这些基因是人类基因组中没有的,这是降低药物毒性的关键。2.2基于蛋白质组学的微生物药物靶标寻找方法根据药物与靶标的亲和性 、靶标的表达量、靶标的结构稳定性等特征，科研工作者们开发了多种用于微生物药物靶标寻找的方法。其中，根据靶标表达量改变发展出的靶标寻找技术具有最为普遍的应用，这些技术强烈地依赖于蛋白质定量技术的支撑，所以蛋白质定量技术在小分子药物研究中是一个关键技术。目前，比较成熟的蛋白质定量策略主要有两种，一种是基于传统二维凝胶电泳(2-D PA G E ) 及染色的技术，另一种是基于质谱检测的技术。2.2.1蛋白质差异表达在微生物药物靶标寻找中的应用 蛋白质组学研究方法通过比较不同条件下(药物作用前后、不同组织、不同生长阶段等 ) 细胞产生的蛋白质种类及数量上的差异来研究药物的作用机制。 为了应对环境的改变，生物体必须进行自身的调整，这必然导致某些基因开始表达或表达上调，某些基因不再表达或表达下调，反应在蛋白质 水平上则表现为蛋白质的种类和数量的改变，这些变化为寻找药物作用靶标提供了依据 。2.2.2 蛋白质亲和特性在微生物药物靶标寻找中的应用 亲和纯化技术很早就被认为足寻找生物活性分子靶标的最有效方法 。该技术的原理如 ：首先将药物分子固定到固相载体 (如微珠) 上，与细胞蛋白质裂解液温育，去除没有结合的蛋白质，再通过高离子强度洗脱或是煮沸处理等方法将靶标与固相载体上的药物分离，这样上清液中的蛋白质即为药物结合的蛋白质。2.2.3蛋白质稳定性在微生物药物靶标寻找中的应用 近年来，蛋白质的稳定性特征结合基于质谱的蛋白质组学技术在小分子药物靶标寻找中开始发挥作用。 W est等利用药物与靶蛋白相互作用时蛋白质结构发生改变的特性，借助热动力学方法测定蛋白质折叠反应，以表征靶标不同的折叠状态 ，其原理是蛋白质中的甲硫氨酸残基在化学变性剂存在条件下发生氧化的速率能反映蛋白质折叠的情况。 在一定时间及一定浓度的化学变性剂存在时 ，蛋白质的甲硫氨酸残基只发生部分氧化，不同折叠状态的蛋白质氧化程度不同，即可以通过氧化速率反映同一蛋白质的不同折叠状态，总蛋白经蛋白酶消化得 到包含甲硫氨酸的肽段，进一步用串联质谱分析肽段中甲硫氨酸的氧化程度 ，那些含不同氧化程度肽段的蛋白质即为靶标。3 目前发现的新药物靶标人类功能基因组学、蛋白组学、生物信息学、结构生物学、化学生物学等揭示了更多新型的药物靶标(1 500 4 000 个),这些也为揭示微生物产物更广范围的生物活性和为新型微生物药物的大量研发奠定了良好基础。由于大量耐药菌的出现,尤其是多重及广泛耐药结核杆菌、耐药革兰氏阴性菌造成了抗菌药物治疗的严峻形势,客观上需要更新、更多的抗生素。 资源微生物基因组学研究,揭示了微生物具有更大的合成天然产物的潜力,也成为研究的热点之一。 一般的放线菌基因组具有 20 30 个天然产物生物合成基因簇,一般的丝状真菌基因组具有 30 50 个天然产物生物合成基因簇和复杂调控基因机制以及天然产物结构后修饰酶。 约有 90%以上的微生物不能在常规条件下培养。极端环境 (如海洋与植物内生菌等特殊生境)中生存的微生物和新型次级代谢产物的大量获得,为新型抗生素及微生物药物的开发奠定基础。3.1 抗真菌药物靶标有抗真菌药物(氮唑类、多烯类、棘白菌素类和氟胞嘧啶类)普遍存在如抗菌谱窄、副作用大等局限性,导致其临床应用受限。 因此,研究与开发新型抗真菌药物无疑将成为解决此类难题的重要希望。3.1.1 抑制真菌细胞壁合成的药物 真菌细胞壁中,-1,6-葡聚糖与几丁质通过 -1,3-葡聚糖还原末端连接形成三维网络结构,此外,某些 -1,6-葡聚糖也可直接与几丁质相连。 细胞壁蛋白中,糖基磷脂酰肌醇(GPI) 锚定蛋白与内部重复蛋白(Pir 蛋白) 分别通过 -1,6-葡聚糖及 -1,3-葡聚糖共价连接于真菌细胞壁多糖骨架上。以 Gwt1p 为靶标的 E1210:小分子化合物 E1210 通过抑制 Gwt1p (GPI 锚定蛋白合成过程中参与肌醇酰化反应的酶)活性,抑制 GPI 锚定蛋白合成,进而减少 GPI 锚定蛋白含量,抑制细胞壁甘露糖蛋白层对多糖骨架的附着,最终抑制真菌生长。 以 Kre6p 为靶标的D11-2040:小分子化合物 D11-2040 可通过抑制 -1, 6-葡聚糖合成酶 Kre6p 的活性,抑制 -1,6-葡聚糖合成,直接破坏真菌细胞壁结构,降低真菌致病力。3.1.2 抑制蛋白激酶或蛋白磷酸酶信号通路的药物 真菌拥有类似哺乳动物的信号转导通路,可通过抑制真菌蛋白激酶或蛋白磷酸酶信号通路的化合物抑制真菌生长。以 Pkh1 /2 激酶为靶标的 KP-372-1:抗癌化合物 KP-372-1 (哺乳动物细胞 PDK1 /Akt 抑制剂) 可抑制真菌 Pkh1 /2 激酶活性,产生抗真菌作用。 Pkh1 /2 激酶被 KP-372-1 抑制后,真菌细胞壁损伤、CWI 信号通路阻断,真菌死亡。以Hsp90 为靶标的 17-AAG:抗肿瘤化合物 17-AAG 可抑 制 真 菌 Hsp90 活 性。 17-AAG 竞 争 性 结 合Hsp90N-末端 ATP 结合位点,抑制 Hsp90 的分子伴侣功能,阻断真菌耐药信号通路,产生抗真菌作用。3.1.3 靶向真菌毒力因子的单克隆抗体 单克隆抗体 C7 通过抑制 Als3p 活性产生抗白色念珠菌作用。 与真菌黏附和毒力密切相关的一类细胞壁蛋白为 Als 蛋白。 C7 可与真菌 Als3p N 端特异性结合,阻碍 Als3p 与铁蛋白结合,进而抑制铁离子的摄取,产生杀菌作用。3.2 抗细菌药靶标数以百计的细菌关键蛋白被确定为抗菌药物的潜在靶标,然而只有少数作为临床药物的有效靶标。这些靶标包括:青霉素结合蛋白,D-Ala-D-Ala 连接酶,MruA,十一异戊烯焦磷酸酶,细胞壁上的丙氨酸消旋酶,30S 和 50S 核糖体蛋白,延伸因子 G,参与蛋白质合成的 Ile-tRNA 合成酶,参与 RNA 合成的 RNA 聚合酶,参与脂肪酸合成的 InhA (FabI) ,参与 DNA 合成的 DNA 促旋酶和扑拓异构酶 IV,参与细胞代谢的二氢叶酸还原酶 (FolA)和 p-氨基苯甲酸合成酶。 最近还有一些新的抗菌靶标陆续被发现,如合成细菌活性关键物质lipidA 所必须的锌依赖脱乙酰酶 LpxC,G + 菌表面的蛋白质锚定酶 Sortase等。从微生物中发现的活性天然产物已达 22 500 种之多,应用于临床的微生物药物有 150 余种。 因此从微生物中寻找药物先导化合物是目前创新药物研究最活跃的领域之一。 抗耐药菌活性天然产物可分为甾体和萜类、黄酮类和醌类化合物、生物碱类化合物、多肽类化合物、大环内脂类化合物等。 另外,从海洋链霉菌新种星海链霉菌中分离出的新型亚砜类抗耐药菌活性物质星海霉素(Xinhaiamine);从源于南非纳马夸兰土壤样品的游动放线菌(Actinoplanes philippinensis) 菌株 MA7347 中提取到新的噻唑肽苷化合物 Philipimycin;从海洋细菌 Pseudoalteromonas phenolica O-BC30T 中分离出 MC21-A 和MC21-B。 这些抗菌药物均具有抗 MRSA 活性。在过去 50 年中, 从陆生放线菌中共收获了100 000种化合物,其中 70% 为天然抗生素。 放线菌仍是新活性物质的最主要生产菌,在新抗生素开发中地位依然十分重要,但陆生菌来源的抗生素已不能满足人类健康的需要。 海洋微生物种类丰富,生存环境特殊,产生化合物种类繁多、结构新颖,且开发程度尚低。 因此,海洋微生物已成为人类寻找、开发新型抗生素的重点和热点。3.3 抗病毒药物靶标 病毒的复制周期分为吸附与穿入、脱壳、生物合成、装配与释放四个阶段。抗病毒药物阻断其中任何一个环节,即可抑制病毒的增殖,控制感染的发生。 目前的抗病毒药物是针对病毒复制周期的不同环节而设计的,主要为化学合成药物。 目前其药物作用靶点的研究主要集中在以流感病毒 RNA 聚合酶与核蛋白20,疱疹病毒衣壳的组装与 DNA 的包装21,HIV-1 型衣壳22,丙型肝炎病毒非结构蛋白23, 乙型肝炎病毒核心蛋白24等为靶点的抗病毒药物筛选。 甲型流感病毒的核蛋白高度保守,是一个潜在的抗病毒药物的靶点。 基于核蛋白的抗病毒靶点研究包括阻止病毒核蛋白的入核,从而抑制病毒的复制;诱导高阶核蛋白寡聚体形成,阻止核蛋白入核,从而抑制病毒的复白与 RNA 依赖的 RNA 聚合酶结合,抑制病毒复制3.4 以群体感应系统调控为靶标自发现病原菌毒素因子是由胞外信号分子控制，亦即群体感应(Quorum sensing，Qs)后，很多QS介调病原菌的发现给出了另一种有前景的疾病控制新策略，即群体淬灭 (Quorum quenching)途径，这种方式能够减弱病原菌的致病毒性，但却不影响细胞正常生长。研究结果已证明，群体淬灭现象普遍存在于原核生物和真核生物中，它们在微生物一微生物、病原菌一寄主间的相互反应中起着重要作用，有望成为新一代抗生素药物开发过程中的先导化合物。病原菌的致病性通常取决于其毒素产生和释放能力，但这些次生代谢物的分泌可能导致病原菌被寄主免疫系统发现并毁灭，为此，病原菌攻击寄主细胞所采取的最有效策略是避免产生和释放毒素，直到其数量达到足以使同时释放的毒素能够战胜寄主免疫系统时，所以很多病原菌的毒性决定簇和