以FtsZ/SepF蛋白相互作用为靶标的新型特异抗结核活性化合物的发现与分子机制研究

The emergence of multidrug-resistant (MDR) strains and compromised immunity due to the epidemic of HIV/AIDS have increased the chance of infections with M. tuberculosis. Therefore, developing new anti-tuberculosis (anti-TB) drugs are necessary. FtsZ plays an important role in bacterial mitosis, and we have identified some anti-TB compounds based on the GTPase site of FtsZ. Due to the conservatism of FtsZ GTPase site in various bacteria, the selectivity of these compounds is poor. SepF, a FtsZ interacting protein, is specific in mycobacteria. Besides, the interaction of FtsZ and SepF is vital in bacterial mitosis, and the interaction site is different from the frequently-used site of FtsZ inhibitors. Accordingly, we plan to identify specific anti-TB compounds targeting FtsZ/SepF interaction from compound and natural product library, combined with M. smegmatis screening. Then, we will investigate the mechanism of inhibitors on FtsZ/SepF interaction and cell growth. The work will promote the screening strategy on discovering inhibitors that target a specific protein-protein interaction, and provide new drug target for anti-TB agents.

多药耐药结核菌的大量出现与艾滋病造成的免疫缺陷易感人群增多，使结核病疫情回升，抗结核药物研发意义重大。FtsZ是细菌有丝分裂的关键蛋白，前期工作中我们已得到以FtsZ的GTP酶活性位点为靶标的抗结核化合物。由于该位点在不同细菌中相对保守，得到的抗结核化合物选择性较差。SepF是分枝杆菌特有的一种能与FtsZ相互作用的蛋白，FtsZ/SepF蛋白相互作用在细菌分裂中发挥重要作用。阻断FtsZ/SepF相互作用可以特异性抑制结核杆菌分裂，克服以FtsZ的GTP酶活性位点所得化合物选择性低的缺陷。本项目拟以FtsZ/SepF相互作用为靶标，联用耻垢分枝杆菌表型筛选法，从化合物库尤其是微生物天然产物库中获得高效、特异的抗结核活性化合物。继而考察阳性化合物抑制FtsZ/SepF蛋白相互作用以及菌体分裂的机制。本课题将促进抗结核药物筛选靶标的发现与确认，为新型抗结核药物的研发提供新的理论和实验依据。

结核病治疗需要长期使用抗结核药物，研发特异、高效的新型抗结核药物意义重大。FtsZ是细菌菌体分裂的关键蛋白，其GTP酶活性在细菌分裂中普遍发挥着重要的功能。在前一个国家自然科学基金项目中，我们得到一系列FtsZ的GTP酶活性抑制剂，但其抗结核活性选择性较差。考虑到结核分枝杆菌特有SepF蛋白，其与FtsZ相互作用影响结核分枝杆菌菌体分裂，我们推测抑制FtsZ/SepF蛋白相互作用，可以特异性阻断结核分枝杆菌菌体分裂。在为期四年的项目研究中，我们完成了所有研究任务。首先建立了结核分枝杆菌FtsZ/SepF相互作用抑制剂筛选模型，对化合物库和微生物天然产物库进行约6万样次的筛选，得到一系列阳性化合物。选取活性较好的化合物T0349进行靶标确认和机制研究。T0349不影响FtsZ的GTP酶活性，但抑制SepF对FtsZ聚合的促进作用，进而影响结核分枝杆菌菌体分裂。通过免疫共沉淀、荧光偏振、表面等离子共振等方法，在验证FtsZ/SepF相互作用的基础上，都检测到T0349能够阻断FtsZ/SepF的相互作用，且T0349是通过与SepF相结合而发挥其抑制作用的。建立FtsZ/SepF过表达/低表达分枝杆菌，发现T0349对SepF过表达菌的抑制作用减弱，且对SepF低表达菌的抑制作用增强。荧光显微镜分析发现T0349能够抑制分枝杆菌菌体分裂。T0349有较好的抗结核活性，对其它细菌无抑制，抗结核活性选择性好。本研究首次以FtsZ/SepF相互作用作为抗结核药物筛选靶标，化合物T0349的抗结核活性为首次报道，且T0349具有特异性抗结核活性。相关结果已发表论文11篇，其中SCI论文8篇，申请发明专利1项。该研究促进了特异性抗结核药物筛选靶标的发现与确认，为新型抗结核药物的发现提供了重要的技术支撑。