导读
小菌素C7 (Microcin C7, McC)是一个特洛伊木马型的抗生素天然产物，它能特异性地靶向肠杆菌这类革兰氏阴性菌，IC50值能达到低μM数量级。该研究团队在以往的工作中对于McC的生物合成途径已有相关报道 (https://doi.org/10.1039/C8SC03173H)。McC的结构由核苷酸“子弹头”和多肽“特洛伊木马”两部分组成。多肽部分由核糖体途径合成，通过磷酰胺键(N-P)与AMP连接，再经过后修饰加上氨丙基。多肽部分相当于“特洛伊木马”，可被肠杆菌的转运蛋白识别，并将其所携带的“子弹头”主动转运进细胞。McC进入细胞后，多肽部分会被非特异性蛋白酶 (PepABN)水解，从而释放“子弹头”。“子弹头”是一个天冬氨酰-tRNA合酶的竞争性抑制剂，进入细胞后能与靶蛋白结合，抑制肠杆菌的蛋白质合成。
受到“特洛伊木马”携带“子弹头”通过主动转运进入革兰氏阴性菌细胞的启发，该研究团队阐明了转运蛋白与木马多肽相互作用的分子机理，并在此基础上，将木马多肽与其他抗生素分子相连，探讨基于“特洛伊木马”策略开发新型革兰氏阴性菌抗生素的可行性。
为此，作者首先在体外证实了“特洛伊木马”多肽是McC被转运蛋白识别的关键，并获得和分析了木马多肽与其转运蛋白YejA的复合物晶体结构，通过定点突变实验验证了转运蛋识别木马多肽的关键氨基酸残基。
探明了木马多肽被转运蛋白识别的分子基础之后，作者进一步探索木马多肽是否能将其他不能跨膜的小分子带入细胞。作者将木马多肽与荧光分子相连接，合成了fMccA-FITC，并用共聚焦显微镜实验证明，木马多肽的确能将荧光分子带入大肠杆菌细胞。
在明确了木马多肽对荧光分子的转运功能之后，作者继续研究木马多肽是否能将抗生素药物带入革兰氏阴性菌的细胞。作者选取了恶唑烷酮类抗生素依哌唑胺 (eperezolid)作为改造对象。这个抗生素的抗菌机理是抑制蛋白质合成，但因其无法进入革兰氏阴性菌细胞而对革兰氏阴性菌无效。作者将木马多肽与依哌唑胺相连得到fMccA-NH2-eperezolid，并检测了其抗菌活性。该实验表明，木马多肽能够将革兰氏阳性菌抗生素改造成革兰氏阴性菌抗生素。
在木马多肽携带抗生素药物进入革兰氏阴性菌细胞的功能得到验证之后，作者继续探讨木马多肽的另一个潜在应用：将广谱抗生素改造为窄谱革兰氏阴性菌的抗生素。作者将木马多肽与广谱抗菌药物环丙沙星 (ciprofloxacin)相连接，得到fMccA-ciprofloxacin，并检测了其抗菌活性。这个实验表明，与木马多肽偶联后，环丙沙星在部分保留革兰氏阴性菌的抗菌活性的同时，对于革兰氏阳性菌的抗菌活性有了显著降低。因此，木马多肽可以将广谱抗生素改造为特异性革兰氏阴性菌抗生素，从而更有针对性地治疗革兰氏阴性菌感染。
随后，作者对使用木马多肽来开发革兰氏阴性菌抗生素这个策略的普适性进行了探讨。作者使用EFI-EST工具建立了YejA转运蛋白同源蛋白的序列相似性网络 (sequence similarity network, SSN)。对于1939个无冗余的YejA同源蛋白序列的分析表明，识别木马多肽的YejA类转运蛋白，只在革兰氏阴性菌里存在，进一步显示了该类“特洛伊木马”型抗生素在靶向革兰氏阴性菌中的特异性。该类“特洛伊木马”型抗生素进一步开发的关键在于针对不同序列的YejA转运蛋白设计相应的木马多肽，为靶向不同的革兰氏阴性菌提供不同的“特洛伊木马”。
此外，作者还对木马多肽在血浆中的稳定性、木马多肽携带药物分子的大小限制、阴性菌对“特洛伊木马”抗生素的耐药性、木马多肽对于来自不同物种转运蛋白的特异性，以及木马多肽策略针对多重耐药菌的局限性展开了探讨。
综上所述，作者研究了一个天然的特洛伊木马抗生素特异靶向革兰氏阴性菌的作用机理，验证了木马多肽携带药物分子通过主动转运进入革兰氏阴性菌细胞的功能，并提出了一种用于开发靶向革兰氏阴性菌抗生素的新策略。
兰州大学化学化工学院，功能有机分子国家重点实验室罗尚文副教授和博士生李欣蓉为该论文的共同第一作者，董世辉教授和伊利诺伊大学香槟分校Satish Nair教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。
