ClpP是原核和真核生物中高度保守的ATP依赖的丝氨酸水解酶，负责调控蛋白质稳态。生理状态下，ClpP通过与伴侣蛋白例如ClpX形成ClpXP复合体发挥水解酪蛋白的功能。小分子激动金黄色葡萄球菌ClpP(SaClpP)异常降解关键蛋白质，是抗生素发现的新策略。由于异常激活人源ClpP (HsClpP)可引起线粒体蛋白稳态失调从而产生细胞毒性，因此理想的靶向性激动SaClpP的抗生素研究必须充分避免对线粒体HsClpP产生干扰。然而，目前尚未见选择性的SaClpP激动剂被报道。
针对上述挑战，上海药物所杨财广课题组于2022年11月14日在Nature Communications在线发表了题为“Anti-infective therapy using species-specific activators of Staphylococcus aureus ClpP”的研究论文。
该研究利用高通量筛选发现Wnt信号通路抑制剂ICG-001可激动两种ClpP的酶活。通过对ICG-001进行结构优化，实现了一类新骨架ClpP激动剂ZG111通过引起线粒体蛋白稳态失调抗胰腺癌（Cell Chem Biol, 2022, 29, 1396）。在构效关系研究基础上，获得了ZG111的衍生物ZG180，对两种ClpP的激动活性均显著提高。在解析ZG180结合SaClpP与HsClpP的复合物晶体，以及对比分析SaClpP与HsClpP蛋白序列中发现，ZG180在SaClpP蛋白结合口袋处的91位异亮氨酸与HsClpP的同源位置146位色氨酸在空间上具有较大差异。研究人员基于结构差异进一步开展设计，在ZG180中引入手性的甲基取代，得到(R)-和(S)-ZG197。生化实验表明，其可以选择性结合并激动SaClpP，而对HsClpP无明显激动活性。为此，该研究尝试解释其选择性的作用机制。首先发现(S)-ZG197对SaClpPI91W突变体的作用减弱，而针对HsClpP的W146A突变则提高了(R)-ZG197的活性，其次发现HsClpP中存在着一个较长的C末端基序，而这个序列在SaClpP及其他原核生物的ClpP中缺失。去掉C端的HsClpP后(R)-ZG197的活性提高，而HsClpPW146A及其与C末端基序的联合作用可以使(R)-和(S)-ZG197活性增强。
在细菌水平上进一步评价两个化合物的抗菌效果，发现(R)-和(S)-ZG197可以有效抑制临床多药耐药菌；体外杀菌实验也证实了(R)-和(S)-ZG197可以在6 h内有效清除病原菌；同时与传统抗生素利福平等联用，可以杀死造成慢性感染的持留菌。最后基于斑马鱼和小鼠动物模型，发现(R)-和(S)-ZG197对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)感染斑马鱼有显著的治疗作用，且在小鼠皮肤感染模型上可以显著降低皮肤表面的细菌载量，从而有效抑制MRSA感染。
该研究获得了两个选择性作用于SaClpP而不影响HsClpP的小分子激动剂，并揭示了实现选择性作用的机制，从概念上验证了针对两种种属同源性较强的ClpP蛋白可以实现选择性激活。此外，这项工作为治疗MRSA感染提供了可能，并推动了新靶点抗生素药物的发现。
国科大杭州高等研究院药学院与上海药物所联合培养博士生魏柄妍、上海药物所副研究员张涛，以及国科大杭州高等研究院药学院博士后王蓬宇为该论文的第一作者。上海药物所杨财广研究员为论文通讯作者。该研究得到了上海科技大学季泉江课题组、同济大学附属东方医院吴文娟课题组、上海药物所蓝乐夫课题组、复旦大学甘建华课题组及上海同步辐射光源、上海公共卫生临床中心、上海药物所先导专项化合物资源库的支持，并获得国家自然科学基金委的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34753-0
