绵马贯众素抗金葡菌溶血素的作用机制及靶标确证

Staphylococcus aureus is a significant human pathogen. The growing emergence of methicillin-resistant S. aureus strains and a decrease in the discovery of new antibiotics warrant the search for new therapeutic strategies to combat infections. Recently, with the increasing understanding of bacterial pathogenesis and the structure of virulence factors, targeting bacterial virulence as an alternative strategy to the development of new antimicrobials has gained great interest. The essential role of α-toxin in the pathogenesis of S. aureus infections has been well-studied, and it is considered to be a promising therapeutic target. Due to its diversity of biological activity and structure, natural products have become the important resource for the discovery of lead structure. Cryrtominetin is the major component of Rhizoma Dryopteris Crassirhizomae, which possesses anti-malarial and anti-tumor activities. In preliminary studies, we found that cryrtominetin could inhibit the hemolytic activity of α-toxin at low concentrations. Based on this, the project is intended to further investigate the residue of active sites and the potential mode of action that cryrtominetin interacts with α-toxin via molecular dynamics simulations, mutagenesis, fluorescence quenching, and structural biology methods; and further investigate its therapeutic performance of staphylococcal pneumonia in a mouse model. The study is expected to lay the foundation for the development of drugs that target on α-toxin.

金黄色葡萄球菌是临床上非常重要的病原菌。随着耐药性金葡菌的不断出现以及新抗生素研发效率的降低大大增加了其治疗难度，因此新型抗金葡菌药物的研发已刻不容缓。近年来随着人们对病原菌的致病特点和病原菌毒力因子结构与功能认识的不断加深，毒力因子已成为抗感染药物筛选的重要靶标。α-溶血素在金葡菌的致病过程中的核心作用已经研究的比较透彻，是抗金葡菌毒力药物研发最有希望的靶标之一。贯众素为中药绵马贯众的主要有效成分，具有抗细菌感染活性。本课题组通过建立相关的筛选平台，在国内外首次发现了贯众素对金葡菌α-溶血素的抑制作用，并初步确证了贯众素与α-溶血素的结合位点。本课题拟在前期研究的基础上，应用分子动力学模拟、结构生物学等技术手段进一步确证贯众素与α-溶血素的活性结合位点残基，阐明贯众素抗金葡菌α-溶血素的分子作用机制，验证其对金葡菌肺炎的保护作用，以期为以α-溶血素为靶标的创新药物的研发奠定基础。

金黄色葡萄球菌是临床最常见的条件致病菌之一，金葡菌除引起人的局部毛囊炎、疖肿、蜂窝织炎外, 还可以引起肺炎、心包炎、骨髓炎、肾盂肾炎、肾脓肿等多种化脓性疾患以及菌血症、心内膜炎等危及生命的疾病，具有非常高的发病率和死亡率。近十余年来，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)在世界各地的感染率不断上升，在某些国家，由MRSA所致感染占金葡菌感染的半数以上，已成为临床抗感染治疗的一大难题。因此临床上迫切需要研发新的抗感染策略以预防和治疗MRSA所致感染。近年来，越来越多的药物研发机构将抗菌药物的研发从传统的以考察药物的抑菌或杀菌能力(MIC，MBC)的模式转变到干预感染过程的模式。病原菌分泌的毒力因子在其致病过程中发挥极其重要的作用。因此，以病原菌毒力因子为靶标的抗感染药物研发受到了广泛关注。α-溶血素是金葡菌分泌的最重要的外毒素之一，几乎所有的金葡菌菌株都分泌该毒素,其在金葡菌的致病过程中发挥极其重要的作用。本课题组前期研究中发现，没有抗菌活性的天然产物贯众素并不影响α-溶血素的表达，但可直接抑制α-溶血素的生物活性，通过分子动力学模拟，初步确定贯众素直接结合于α-溶血素“Loop”区域。本课题在前期研究的基础上，应用分子动力学模拟方法，确定氨基酸残基Ile5, Phe39, Arg56, His144为主要结合位点。贯众素通过与Ile5, Phe39, Arg56, His144 间较强的分子作用，束缚了α-溶血素“Loop”区域的构象变化，从而抑制了α-溶血素从单体到七聚体的构象转变，导致其丧失溶血活性。通过贯众素小鼠肺炎炎实验治疗学研究发现，观众素可有效提高小鼠存活率，确证贯众素对金葡菌感染具有较好的抑制率。本项目以金葡菌α-溶血素为靶标，对天然化合物贯众素抗α-溶血素结合位点及作用机制进行阐明，体内和体外活性实验确证了贯众素对金葡菌致病力的抑制作用，为金黄色葡萄球菌感染提供了先导化合物。