宣布日期：2022-02-23 宣布人：asiagame生物
自1928年发明并在1940年月开发用于临床以来，抗生素已经拯救了数百万人的生命，并在无数主要的医疗程序中根深蒂固 。然而，正是由于临床上抗生素的太过使用，抗菌药物耐药性在全球规模内日渐增添，并且严重危及临床治疗效果 。
自1928年发明并在1940年月开发用于临床以来，抗生素已经拯救了数百万人的生命，并在无数主要的医疗程序中根深蒂固 。然而，正是由于临床上抗生素的太过使用，抗菌药物耐药性在全球规模内日渐增添，并且严重危及临床治疗效果 。
现在抗生素开发的局限性威胁到治疗细菌熏染的恒久能力 。在已往的20年中，只有少数几类新的抗生素被发明并被批准用于临床试验 。这是由于中小型企业通常接纳基于现有分子化学修饰的古板研发战略举行抗菌开发 。别的，现在抗生素的临床研发管道主要集中在已知抗生素的组合上，因此只有有限数目的抗菌靶标正在被开发[1] 。大大都抗生素对种种细菌具有广谱活性，若是使用不当不但会加剧耐药性的生长，还会对共生细菌如肠道微生物爆发负面影响 。因此，迫切需要加速开发新的抗菌药物，找到不易爆发耐药性并以更详细的方法施展作用的新型抗菌靶点 。
来自比利时基因手艺实验室的研究职员在current opinion in biotechnology期刊上揭晓了一篇题为“Phage-based target discovery and its exploitation towards novel antibacterial molecules”的论文 。在这篇综述中，作者提出了一种综合的噬菌体驱动战略，即通过噬菌体-细菌的相互作用来展现新的抗菌靶点 。这种战略将能够设计出模拟抑制性噬菌体卵白的小分子，并允许随后开发这些抗菌化合物 。差别于噬菌体疗法和基于噬菌体酶的抗微生物剂，这种要领可能爆发更可一连的新一代新抗生素，这些抗生素使用新的细菌靶标并以病原体特异性方法起作用[2] 。
噬菌体和细菌之间的相互作用是由它们细密交织的配合进化历史驱动的 。在整个进化历程中，噬菌体在裂解熏染周期中一直顺应以在军备竞赛中对抗它们的细菌宿主 。噬菌体使用重大的分子机制来挟制细菌细胞代谢以爆发子女病毒颗粒 。这种亲近的关系导致了高度特异性和进化优化的分子相互作用的泛起，因此代表了识别新的潜在抗菌靶点的奇异泉源 。
随着高通量基因组测序的前进，研究者已经对数以万计的噬菌体基因组举行了测序 。噬菌体基因组巨细从2.3kb到735kb不等，它们编码准确的信息以改变宿主细菌中的DNA复制、RNA转录、细胞破碎和卵白质翻译途径 。然而，由于与已知卵白质缺乏同源性以及实验证据的滞后，约莫一半到三分之二的噬菌体基因产品仅被注释为功效未知的假设卵白质 。这些假设卵白质中的大大都在噬菌体熏染的早期阶段表达，批注它们在宿主代谢中具有主要作用 。研究这些噬菌体假设卵白的功效，尤其是那些对宿主生长有倒运影响的卵白质，不但可以为噬菌体生物学提供更详细的看法，并且更主要的是或许还能增添对噬菌体熏染历程中细菌重编程的相识[3,4] 。
受噬菌体启发的抗菌靶点发明
从噬菌体研究中展现新的细菌靶点可以引发新型小分子化合物的筛选和设计，这些化合物模拟了噬菌体卵白的生长抑制作用 。2004年噬菌体衍生的抗菌靶点首次被发明 。研究职员从26个金黄色葡萄球菌噬菌体的基因组中发明31个多肽家族对宿主体现出毒性[5] 。其中一种基因产品是来自金黄色葡萄球菌噬菌体77的ORF104，它与宿主DNA复制中的一种必需卵白质解旋酶装载物 (DnaI) 相互作用 。作为一个新的靶点，DnaI和ORF104之间的相互作用随后被用于时间区分荧光(TR-FRET) 以筛选小分子抑制剂 。最后，在125000个经由筛选的小分子中，有36个可以中止DnaI和ORF104之间的分子相互作用，其中11个在合理的MIC (≤16 mg/ml)下对金黄色葡萄球菌具有直接活性 。
只管这种针对噬菌体卵白及小分子盲筛的要领是从金黄色葡萄球菌中发明的，其原理启发了其他研究者从噬菌体中寻找新的分子靶标 。除革兰氏阳性金黄色葡萄球菌外，该筛查手艺已应用于马红球菌、耻垢分枝杆菌以及包括大肠杆菌、铜绿假单胞菌、小肠结肠炎耶尔森氏菌和肺炎克雷伯菌在内的一些革兰氏阴性病原体 。作者在本项研究中，想要扩展这种基于噬菌体的原始靶标发明战略，以更周全的方法识别和使用新的抗菌靶标举行药物发明 。该战略由两种互补要领驱动：一是“噬菌体基因组驱动筛选”，即从已知的有毒噬菌体卵白最先，指导发明靶点；二是 “细菌靶点驱动筛选”，即以识别针对已知假定细菌靶标的噬菌体编码抑制剂 。在确认这些相互作用后，这些要领趋向于设计或筛选用于临床前开发的小模拟分子（图1） 。
噬菌体基因组驱动筛选
由于噬菌体基因组注释中假设卵白质很是富厚，因此在功效未知的“早期”假设卵白质中寻找具有新靶点的杀菌多肽是合理的 。从噬菌体基因组中筛选单个假设基因是一个耗时且艰辛的历程 。因此，仔细选择测试池可以镌汰事情量并最大限度地提高判断抗菌噬菌体卵白的效率 。除了消除编码已知功效的卵白质（包括结构卵白）和具有展望跨膜结构域的卵白质的基因外，关注小基因和早期基因显着降低了噬菌体基因筛选的事情量 。事实上，大大都报道的噬菌体-宿主相互作用爆发在熏染的早期阶段，并且涉及小的噬菌体卵白（250个氨基酸） �；蛘�，可以使用具有随机噬菌体基因组片断而不是单个基因的文库，从而跳过单个基因克隆的繁琐办法 。
为了检测假设的噬菌体卵白引起的生长抑制，需要使用高通量要领来缩短筛选历程，因此作者开发了一种基于高通量测序的筛选要领 。在用LC-MS/MS消除噬菌体颗粒相关卵白后，所有“真实”假设的噬菌体基因片断都毗连到高拷贝载体pU11L4上，使用 Illumina HiSeq举行转化和测序 。由于“有毒”基因产品不会为细胞爆发可行的重组质粒，因此基于这些有毒基因座的测序深度降低的负选择是可能的 。现实上，可以从这些区域以低序列笼罩深度准确定位杀菌多肽（图2） 。别的，由于窄谱靶标将是未来抗菌治疗的首选，以是应在多个宿主中测试已判断的抗菌噬菌体卵白，以确定细菌靶标的毒性和�；す婺� 。
一旦判断出抗菌噬菌体卵白，它们就可以作为发明抗菌靶标的诱饵 。这种细菌相互作用同伴的识别仍然是一个要害问题 。为此，可以使用差别的手艺，包括质谱剖析、酵母双杂交和基于基因组的筛选，重点是通过删除或过表达目的卵白来消除毒性 。迄今为止，最有希望的候选卵白质包括那些影响宿主复制、转录和细胞破碎的卵白质 。
细菌靶向驱动筛选以判断噬菌体编码的抑制剂
与筛选历程从大规�；蜃橥诰蜃钕鹊氖删寤蜃榍秆∫觳畋�，靶向驱动筛选使用宿主细胞中界说的必需卵白质复合物作为诱饵，从噬菌体中剔除未知的相互作用同伴 。在Van den Bossche等人的早期研究中，选择加入铜绿假单胞菌代谢的必需卵白质复合物作为诱饵，包括用于转录和基因组复制的RpoA、DnaN，用于转录调控的MvaT、Hfq，用于细胞破碎的FtsZ，用于脂肪酸生物合成的AcpP和用于能量维持的GlcB[6] 。含有这些标记卵白复合物的突变菌株被噬菌体熏染后举行质谱剖析，在该剖析中确定了37个噬菌体相互作用同伴，其中8个直接影响细菌生长 。其他研究职员也使用类似要领从铜绿假单胞菌噬菌体中判断出一些与宿主生长、代谢相关的主要卵白质 。
模拟噬菌体卵白的生长抑制作用
被噬菌体多肽选择性抑制的细菌卵白可能成为新的抗菌靶点，由于它们一旦被破损后可能会影响一些基本历程并导致细菌生长缓慢 。通过对抗菌机制的进一步表征以及相互作用位点的规范，以建设一种有用的要领来识别模拟噬菌体卵白抗菌作用的小分子或抗菌肽 。别的，实验要领应与结构和生物物理剖析以及相互作用建模相团结，以能够直接设计针对已识别靶标的有用抑制剂 。
研究职员使用高区分率X射线晶体学、核磁共振和低温电子显微镜已经确定了少数靶向假定抗菌靶标的噬菌体卵白的结构 。例如，通过冷冻电镜对来自尊肠杆菌噬菌体1的Gam和来自T7的Orc/Gp0.3的两种差别卵白质举行结构表征 。效果发明两者都模拟DNA，并可能被用于开发DNA团结卵白抑制剂[7] 。同样，通过X射线晶体学发明噬菌体phiKZ的Dip卵白与RNA团结位点团结，这可能会引发RNA转运抑制剂的发明 。使用核磁共振发明来自尊肠杆菌噬菌体T7的Gp2卵白被证实可以改变RNA聚合酶的构象，从而限制ssDNA进入活性位点，这种失活代表了另一种使细菌RNA聚合酶失活的机制[8] 。除了设计适合活性位点口袋的小分子外，盘算机模拟要领还能够优化化合物，提高它们的活性并盘算它们的物理化学性子，从而增添乐成通事后续临床前阶段的时机 。
结论与展望
作为细菌病原体的“捕食者”，毒性噬菌体在对抗抗生素耐药性生长的斗争中展现出重大的潜力 。大大都噬菌体只能熏染一个物种内很是有限的细菌疏散株，这种特异性源于恒久的细菌-噬菌体进化 。除了将噬菌体颗粒应用于熏染部位的噬菌体疗法或溶素等基于酶的抗菌剂外，深入相识噬菌体挟制机制可以通过新的作用方法或设计新药发明现有抗菌药物的许多新靶点 。值得注重的是，由于必需有特定的遗传工具以及跨学科手艺较难整合等问题保存，以是这一研究领域在向其他新兴病原体扩展时仍面临挑战 。然而，思量到这些进化优化相互作用的高价值，与目今小分子筛选的随机性相比，这条扩展的研发管线可能值得实验 。
最近泛起的使用噬菌体的战略已经逾越了它们最初的抗菌特征，转向了其他替换要领 。除了直接杀死宿主外，还可以在噬菌体研究中探索抗毒剂 。用这些化合物举行预处置惩罚可能会降低病原体的毒力，使这些细菌更容易被吞噬细胞吞噬和血清杀伤 。由此，人体免疫系统成为噬菌体和细菌战场上必不可少的第三方 。这个要害三角形成为开发可一连抗菌药物和相识人类与微生物组之间生物和进化动态平衡的要害 。
参考文献
1.Tyers, M. and G.D. Wright, Drug combinations: a strategy to extend the life of antibiotics in the 21st century. Nat Rev Microbiol, 2019. 17(3): p. 141-155.
2.Wan, X., et al., Phage-based target discovery and its exploitation towards novel antibacterial molecules. Curr Opin Biotechnol, 2021. 68: p. 1-7.
3.Al-Shayeb, B., et al., Clades of huge phages from across Earth's ecosystems. Nature, 2020. 578(7795): p. 425-431.
4.Li, T., et al., Isolation and Characterization of the Novel Phage JD032 and Global Transcriptomic Response during JD032 Infection of Clostridioides difficile Ribotype 078. mSystems, 2020. 5(3).
5.Yu, X., et al., Characterization and genomic study of "phiKMV-Like" phage PAXYB1 infecting Pseudomonas aeruginosa. Sci Rep, 2017. 7(1): p. 13068.
6.Van den Bossche, A., et al., Systematic identification of hypothetical bacteriophage proteins targeting key protein complexes of Pseudomonas aeruginosa. J Proteome Res, 2014. 13(10): p. 4446-56.
7.Wilkinson, M., et al., Structural basis for the inhibition of RecBCD by Gam and its synergistic antibacterial effect with quinolones. Elife, 2016. 5.
8.Sheppard, C., et al., A non-bacterial transcription factor inhibits bacterial transcription by a multipronged mechanism. RNA Biol, 2013. 10(4): p. 495-501.
