耐药菌特异性蛋白FtsZ新型抑制剂的发现与作用机理研究

FtsZ is an essential and highly conserved bacterial cell division protein, even in drug resistant bacteria MRSA and VRE. Study on the structure and function of FtsZ has revealed that FtsZ is a new target for anti-MRSA agent discovery. Because of current FtsZ inhibitors with low selective inhibition and poor clinical efficacy, no FtsZ inhibitor is approved by FAD untill now. In the previous research, we found that a derivative (CS08-13) of Febrifugine, a quinazolinoe alkaloid isolated from Chinese herb Dichroa febrifuga, was identified as potent FtsZ inhibitor with strongly inhibition on the proliferation of MRSA and VER. Based on previous result, this proposal plans to (1) continuously study the interaction mechanism between Febrifugine derivative CS08-13 and FtsZ and their binding mode;(2) and the structure-activity relationship; (2) design and synthesize noval small moleculars library based on skeleton of Febrifugine with computer aid; (3) study their inhibitory activities and structure-activity relationship, keep on optimizing the structure of molecules till finding new lead compound; (4) study the anti-MRSA activity and related mechanisms and druggability of lead compound.

FtsZ是MRSA、VRE等耐药性致病菌细胞分裂所必需的蛋白，且高度保守。结构与功能研究揭示FtsZ是一个具有应用前景的抗菌（特别是抗耐药菌）药物新靶点，已有个别FtsZ抑制剂在进行临床前研究。申请人前期研究，发现了中药常山有效成分常山碱Febrifugine衍生物(CS08-13)能有效抑制FtsZ活性和干扰其聚合自组装过程，具有良好抗耐药菌活性。本项目将在此基础上，（1）深入系统研究衍生物CS08-13与FtsZ的相互作用机制和结合模式，为进一步优化新型FtsZ抑制剂提供设计思路；（2）基于FtsZ结构生物学及其与CS08-13相互作用的信息，以Febrifugine为基本骨架，通过分子模拟对接，设计合成结构多样的FtsZ抑制剂小分子库；（3）研究这类化合物抑制作用的构效关系，不断优化分子结构，寻找新型先导化合物；（4）进行先导化合物的抗菌作用机理研究和初步成药性评价。

FtsZ是MRSA、VRE等耐药性致病菌细胞分裂所必需的蛋白，且高度保守。结构与功能研究揭示FtsZ是一个具有应用前景的抗菌（特别是抗耐药菌）药物新靶点，已有个别FtsZ抑制剂在进行临床前研究。前期研究，发现了中药常山有效成分常山碱Febrifugine（喹唑啉酮同系物）的衍生物能有效抑制FtsZ活性和干扰其聚合自组装过程，具有良好抗耐药菌活性。本项目将在此基础上，深入系统研究衍生物与FtsZ的相互作用机制和结合模式，发现喹唑啉和喹唑啉酮母体是FtsZ通用关键母体，为进一步优化抑制剂的结构多样性，并能从中评价出该类抑制剂的构效关系和作用机制，我们设计与合成五个系列的新型FtsZ抑制剂，包括常山酮Febrifugine衍生物、噻唑橙衍生物、苯胺取代白叶藤碱衍生物、噻唑取代苯并呋喃喹啉衍生物、吲哚乙烯取代喹啉衍生物，共计155个化合物；评价这五个系列衍生物对格兰阳性菌和革兰阴性菌，包括耐药性致病菌（MRSA和VRE）的抑菌效果和杀菌模式；研究该五个系列化合物与FtsZ的相互作用机理和结合模式，总结了衍生物对FtsZ蛋白GTP酶活和聚合化的抑制活性的构效关系、对细菌内Z环形成的影响；以及部分代表性化合物对FtsZ基因突变的影响。.实验结果显示：设计合成筛选出的代表性化合物具有广谱的抗菌活性，包括多种耐药菌：MRSA、VRE和NDM-1大肠杆菌；抑菌效果强，部分衍生物对耐药菌的MIC低于临床使用的抗耐药菌药物加氧西林和万古霉素，可恢复甲氧西林对MRSA BAA-41的敏感性。形态学和计算机模拟证实代表性衍生物能降低FtsZ的聚合作用，并抑制FtsZ的GTPase活性，扰乱Z环形成过程，以及诱导耐药菌延长，从而实现抑制细菌细胞分裂和细菌死亡。分子对接结果推测衍生物可能作用于FtsZ蛋白的狭长口袋（Interdomain Cleft）。