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Summary
PolC 抑制剂是一类极具潜力的新型抗革兰氏阳性耐药病原体药物,首个此类药物已进入后期临床开发,但这类抑制剂发挥活性的结构基础、选择性机制及耐药性产生的关键位点仍未明确,限制了其进一步优化与研发。
2025 年 11 月 6 日,莱顿大学医学中心的 Meindert H. Lamers 和 Wiep Klaas Smits 团队在《Nature Communications》发表题为 “A unique inhibitor conformation selectively targets the DNA polymerase PolC of Gram-positive priority pathogens”(《一种独特的抑制剂构象选择性靶向革兰氏阳性优先病原体的 DNA 聚合酶 PolC》)的研究论文。研究团队通过冷冻电镜技术解析了屎肠球菌 PolC 与 DNA、伊贝扎泊司他及新型抑制剂 ACX-801 的复合物结构,发现抑制剂通过独特的非平面构象在 PolC 中诱导形成结合口袋,与 DNA 形成碱基配对并竞争 dGTP 结合;鉴定出苯丙氨酸 1276 是关键敏感性决定因子,其突变会导致耐药性;同时证实结合口袋关键残基在革兰氏阳性病原体中高度保守,保障了抑制剂的选择性,为新型抗菌药物研发提供了分子基础。
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Highlights
伊贝扎泊司他和 ACX-801 两种 PolC 抑制剂均通过与 DNA 形成碱基配对,在活性位点与 dGTP 竞争,发挥抗菌作用
抑制剂采用独特的非平面构象,可在 PolC 中诱导形成包含四个芳香族残基的结合口袋
苯丙氨酸 1276(艰难梭菌中为 F1258)是 PolC 抑制剂的关键敏感性决定因子,其突变会导致耐药性
PolC 抑制剂结合口袋的关键残基在革兰氏阳性优先病原体中高度保守,而在革兰氏阴性菌的 DnaE 型聚合酶中无结构同源物,保障了抑制剂的选择性
结构分析为合理设计针对 MRSA、VRE、艰难梭菌等耐药病原体的新型 PolC 抑制剂提供了分子基础
01
|INTRODUCTION
抗生素耐药病原体的威胁迫切需要开发作用机制新颖的抗生素,以靶向细菌生存必需的未被充分利用的生物学过程,例如 DNA 复制。细菌复制型 DNA 聚合酶属于原核生物特有的 C 家族聚合酶,由于其与真核生物对应物结构差异显著,成为理想的药物靶点。C 家族聚合酶具有 DNA 聚合酶典型的右手结构模体,其中拇指域和手指域负责定位 DNA 和进入的核苷酸(dNTP),而手掌域催化与模板 DNA 链互补的核苷酸掺入。C 家族聚合酶可进一步分为 PolC 型(Pol IIIC)和 DnaE 型聚合酶。在低 GC 含量的革兰氏阳性菌(厚壁菌门)中 —— 包括金黄色葡萄球菌、链球菌、艰难梭菌和肠球菌等优先病原体 ——PolC 作为主要的进行性酶负责大部分 DNA 合成,而 DnaE 同源物被认为参与后随链 DNA 合成。相比之下,革兰氏阴性菌和高 GC 含量的革兰氏阳性菌没有 PolC 同源物,而是采用 DnaE 型聚合酶作为主要的复制型 DNA 聚合酶。DnaE 和 PolC 之间的结构差异为选择性靶向提供了机会。因此,针对性抑制 PolC 有望成为一种治疗革兰氏阳性病原体感染的有效方法,同时最大程度减少对不含 PolC 生物的影响。
伊贝扎泊司他(IBZ)是由 Acurx 制药公司开发的首个 N²- 取代鸟嘌呤类抗生素,靶向 PolC 聚合酶,目前正准备进入 III 期临床试验。该药物被开发用于治疗艰难梭菌感染(CDI),这是医疗相关腹泻的最常见原因。艰难梭菌感染负担较重,部分原因是初始临床治愈后频繁复发。伊贝扎泊司他对多种艰难梭菌分离株具有活性,包括对临床常用抗菌药物敏感性降低的菌株,且目前尚未有预存耐药性的报道。重要的是,在 II 期临床试验中,接受伊贝扎泊司他治疗并治愈的患者在治疗后随访期间未观察到复发。伊贝扎泊司他的鸟嘌呤碱基部分表明其可作为 dGTP 竞争剂,将 PolC 捕获在可逆的失活状态并停滞复制叉。值得注意的是,芳香族侧链(伊贝扎泊司他中的 3,4 - 二氯苄基)被认为对特异性抑制 PolC 进而靶向革兰氏阳性菌至关重要。然而,目前尚未有 PolC 与抑制剂结合的结构报道,其作用机制的结构基础仍不明确。
研究团队解析了耐万古霉素屎肠球菌(VRE)PolC 与伊贝扎泊司他以及新型 PolC 抑制剂 ACX-801 形成的复合物冷冻电镜结构。研究团队的结构显示,鸟嘌呤碱基或其类似物与 DNA 模板链中的互补 dCMP 形成碱基配对,而 N² 连接的芳香族部分与碱基平面呈约 90° 角,插入一个包含四个芳香族残基的抑制剂诱导结合口袋中。细胞和生化分析表明,四个芳香族残基中的苯丙氨酸 1276(艰难梭菌中为 F1258)是驱动对伊贝扎泊司他和 ACX-801 产生耐药性的突变热点。该研究为合理开发用于治疗革兰氏阳性优先病原体感染的改良抑制剂奠定了基础。
02
|RESULTS
研究人员通过微量肉汤稀释法测定了 46 种 ACX 系列化合物对多种细菌的最低抑菌浓度(MIC),发现该类化合物对 VRE、MRSA 等革兰氏阳性病原体具有选择性抑制活性,对大肠杆菌等革兰氏阴性菌无活性;凝胶迁移实验和实时聚合酶活性测定证实,伊贝扎泊司他和 ACX-801 可有效抑制屎肠球菌 PolC 的聚合酶活性,其中 ACX-801 的 IC₅₀值为 5.8μM,抑制活性优于伊贝扎泊司他(12.3μM);且两种抑制剂对革兰氏阴性菌的 DnaE 型聚合酶无显著抑制作用,证实了其靶向选择性。
图1 PolC 抑制剂选择性抑制革兰氏阳性菌的复制型聚合酶
研究人员通过微量肉汤稀释法测定了伊贝扎泊司他和 ACX-801 对 VRE、MRSA、耐青霉素肺炎链球菌(PRSP)等革兰氏阳性优先病原体的 MIC 值,并与万古霉素、利奈唑胺等常用抗菌药物进行对比;结果显示,ACX-801 对 VRE、MRSA、PRSP 的抑制活性优于伊贝扎泊司他,MIC 值低至 0.25-1mg/L,且对常用抗菌药物耐药的菌株仍具有强效抑制作用;而两种抑制剂对革兰氏阴性菌大肠杆菌均无抑制活性(MIC>64mg/L),证实了其针对革兰氏阳性耐药病原体的抗菌特异性和应用潜力。
表1 核苷碱基类似物对革兰氏阳性优先病原体的抗菌特异性
研究人员通过单颗粒冷冻电镜技术,解析了屎肠球菌 PolC 的 apo 状态结构、与 ACX-801 结合的复合物结构(分辨率 2.8-3.2Å)以及与伊贝扎泊司他结合的复合物结构;结构显示 PolC 包含 OB 结构域、外切核酸酶结构域、PHP 结构域等多个功能域,符合 C 家族聚合酶的典型右手结构模体;抑制剂与 DNA 模板链的 dCMP 形成碱基配对,其 N² 连接的芳香族部分呈 90° 角插入 PolC 中诱导形成的结合口袋,该口袋由 H1185、F1276、H1280 和 Y1284 四个芳香族残基构成;F1276 在 apo 状态下会阻断结合口袋,结合抑制剂后向外移动以容纳抑制剂。
图2 屎肠球菌 PolC 与伊贝扎泊司他和 ACX-801 的冷冻电镜结构
研究人员通过序列比对和结构分析发现,构成 PolC 抑制剂结合口袋的四个芳香族残基在革兰氏阳性菌的 PolC 聚合酶中高度保守,而在革兰氏阴性菌的 DnaE 型聚合酶中,包含 H1185 的螺旋更短,且无结构同源物;Y1274 在 PolC 中与抑制剂的 R2 基团相互作用,而在 DnaE 型聚合酶中远离抑制剂结合口袋;这些结构差异解释了 PolC 抑制剂对革兰氏阳性菌的选择性抑制作用,且为抑制剂的特异性设计提供了结构依据。
图3 PolC 抑制剂选择性的结构解释
研究人员对筛选获得的屎肠球菌耐药菌株进行交叉耐药性检测,发现携带 PolC 突变(F1276I、F1276L、F1276S、A1281T)的菌株对多种 ACX 系列 PolC 抑制剂及伊贝扎泊司他均表现出交叉耐药性,MIC 值升高 8-64 倍;但这些菌株对利奈唑胺、达托霉素、奥马环素等作用机制不同的抗菌药物仍保持敏感,证实耐药性是特异性针对 PolC 抑制剂产生的,且未影响细菌对其他抗菌药物的敏感性。
表2 敏感性降低菌株对其他 PolC 抑制剂存在交叉耐药,但对不同作用机制的抗菌药物无交叉耐药
研究人员通过耐药突变筛选,发现屎肠球菌暴露于 ACX 系列化合物后,PolC 的 F1276 位点易发生突变(F1276I、F1276L、F1276S),这些突变会显著降低菌株对伊贝扎泊司他和 ACX-801 的敏感性;体外生化实验证实,F1276L 和 F1276S 突变会使 PolC 对伊贝扎泊司他的 IC₅₀值增加 48 倍以上,对 ACX-801 的 IC₅₀值也显著升高,但不影响 PolC 的基础聚合酶活性;在艰难梭菌中,F1258(对应屎肠球菌 F1276)的突变同样会导致耐药性;此外,A1281T 突变会降低 PolC 的聚合酶活性,但也会导致耐药性,且该位点在不同物种中功能保守。
图4 特定苯丙氨酸残基是 PolC 抑制剂的关键敏感性决定因子
03
|DISCUSSION
综上所述,该研究通过结构生物学、生物化学和遗传学等多学科手段,系统阐明了 PolC 抑制剂靶向革兰氏阳性病原体的分子机制、选择性基础及耐药性产生的关键因素。研究证实 PolC 抑制剂通过独特的非平面构象与 DNA 形成碱基配对,在活性位点与 dGTP 竞争,同时诱导 PolC 形成特异性结合口袋,其结合口袋的关键残基在革兰氏阳性优先病原体中高度保守,而在革兰氏阴性菌中无结构同源物,保障了抑制剂的靶向选择性。苯丙氨酸 1276 是抑制剂敏感性的核心决定因子,其突变会破坏与抑制剂的相互作用,导致耐药性,而 A1281T 突变则通过影响 PolC 活性或结合口袋构象产生耐药性。这些发现不仅解释了现有 PolC 抑制剂的作用模式,还为合理设计优化新型抑制剂提供了精确的结构模板,有助于解决 MRSA、VRE、艰难梭菌等耐药病原体带来的临床挑战,推动新型抗菌药物的研发进程。
References
[1] Urem, Mia, et al. "A unique inhibitor conformation selectively targets the DNA polymerase PolC of Gram-positive priority pathogens." Nature Communications, vol. 16, no. 9784, 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-65324-8.
[2] Antimicrobial Resistance Collaborators. "Global burden of bacterial antimicrobial resistance in 2019: A systematic analysis." Lancet, vol. 399, 2022, pp. 629–655.
[3] GBD 2021 Antimicrobial Resistance Collaborators. "Global burden of bacterial antimicrobial resistance 1990–2021: A systematic analysis with forecasts to 2050." Lancet, vol. 404, 2024, pp. 1199–1226.
[4] Jernigan, J. A., et al. "Multidrug-resistant bacterial infections in U.S. hospitalized patients, 2012–2017." N. Engl. J. Med., vol. 382, 2020, pp. 1309–1319.
[5] Bailey, S., et al. "The Structure of T. aquaticus DNA polymerase III is distinct from eukaryotic replicative DNA polymerases." Cell, vol. 126, 2006, pp. 893–904.
[6] Evans, R. J., et al. "Structure of PolC reveals unique DNA binding and fidelity determinants." Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 105, 2008, pp. 20695–20700.
[7] Lamers, M. H., et al. "Crystal structure of the catalytic alpha subunit of E. coli replicative DNA polymerase III." Cell, vol. 126, 2006, pp. 881–892.
[8] Smits, W. K., et al. "Clostridium difficile infection." Nat. Rev. Dis. Prim., vol. 2, 2016, p. 16020.
[9] Butler, M. S., et al. "A review of antibacterial candidates with new modes of action." ACS Infect. Dis., vol. 10, 2024, pp. 3440–3474.
[10] Ruggieri, F., et al. "Antibiotics with novel mode of action as new weapons to fight antimicrobial resistance." Eur. J. Med. Chem., vol. 256, 2023, p. 115413.
[11] Baños-Mateos, S., et al. "High-fidelity DNA replication in Mycobacterium tuberculosis relies on a trinuclear zinc center." Nat. Commun., vol. 8, 2017, p. 855.
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