分枝杆菌中的靶向蛋白质降解揭示了抗菌作用并增强了抗生素功效
文摘
2024-06-14 15:01
北京
本月中旬，来自哈佛大学陈曾熙公共卫生学院(Harvard T.H.Chan School of Public Health)的Eric J. Rubin和Junhao Zhu团队发表了Targeted protein degradation in mycobacteria uncovers antibacterial effects and potentiates antibiotic efficacy一文。传统抗生素通过调节特定分子靶标发挥作用，但其持续使用导致了难以治疗的多重耐药结核菌株的出现，而新抗生素的发现在过去几十年中几乎停滞。靶向蛋白降解(Targeted Protein Degradation, TPD)在许多疾病的临床试验中已经取得了进展，但在抗菌药物的开发中仍处于概念阶段。在细菌中，TPD策略不是利用寄生宿主细胞的泛素化降解机制，而是诱导对细菌生存至关重要的蛋白进入细菌降解机制，导致其发生降解，抑制细菌生长或导致细菌死亡。在结核分枝杆菌中，有几种可供选择的降解机制，包括结核菌蛋白酶体(mycobacterial proteasome)和Clp蛋白酶复合体(如ClpC1P1P2和ClpXP1P2)。最近的研究已经完成了在结核分枝杆菌(mtb)中利用细菌PROTACs(BacPROTACs)诱导目标蛋白降解的概念验证，表明了BacPROTACs有潜力成为一类新的抗生素降解剂。然而，对于未来药物开发而言，细菌中的哪些蛋白是可降解的靶标仍不清楚。本研究旨在开发一个合理的平台，用于在结核分枝杆菌中筛选可行的TPD靶标。作者首先构建了一个化学遗传平台，用于评估和筛选结核分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis, msm)中的靶向蛋白降解(TPD)。通过雷帕霉素诱导的FRB-FKBP二聚体系统，作者能够在msm中实现目标蛋白与ClpC1P1P2蛋白酶复合体的接近，进而诱导目标蛋白的降解。同时，作者在这一系统中观察到了一定的钩尾效应。 ![]()
研究结果表明，在这一平台中，雷帕霉素诱导的与ClpC1的接近足以降解原生的分枝杆菌蛋白。作者构建了带有FKBP和eGFP标签的目标蛋白融合体，并在WT clpC1和ΔclpC1 L5::clpC1-frb背景中进行了测试。结果发现，只有当目标蛋白与ClpC1接近时，才能实现有效的蛋白降解。例如，RpoA-FKBP-eGFP融合蛋白在雷帕霉素诱导下，在clpC1-frb背景下显示出显著的eGFP信号减少，即发生了显著的降解。 ![]()
此外，作者选取了54种功能和生化特性多样化的结核分枝杆菌蛋白，通过高通量流式细胞仪筛选评估了它们的降解潜力，发现大多数测试的蛋白能够被靶向降解，并且荧光信号衰减可以用指数函数模拟，作者计算出了每个靶标的降解速率常数。![]()
为了探究TPD潜力背后的序列和结构的决定因素，作者整理了485个蛋白特征描述符，从中选取了40个最好的特征描述符，训练了Lasso回归模型，用此模型预测了18个蛋白靶标，发现预测的降解速率和实测的降解速率高度一致。作者发现许多选定的特征与蛋白降解潜力有统计学上显著的相关性，例如N端30个氨基酸的平均无序倾向性，N端序列越无序，TPD降解系统对蛋白的作用就越有效。![]()
进一步实验显示，通过TPD靶向降解特定蛋白，可以显著延迟细菌在液体培养基中的生长，并且增强了细菌对现有抗结核抗生素的敏感性。例如，NusG、RbpA、Ffh、MmpL3和AtpA的降解导致了细菌生长的显著延迟，而RpoB、RpsD、MutT4、SecA1、PyrG和LeuS的降解对细菌生长影响较小。最后，作者观察到，雷帕霉素诱导的特定蛋白降解不仅影响了细菌的生长动力学和蛋白定位，还导致了细胞形态的异常变化，这可能与转录扰动或化学抑制引起的形态变化相似。同时，TPD策略不仅能够直接抑制细菌生长，还能增强现有抗生素的效果，为开发新的抗菌化合物提供了一种有前景的策略。
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本文作者：YZL
