基于群体感应系统新型信号分子IQS的小分子探针研究

Quorum sensing (QS) system has been a promising target for developing novel approaches to controlling bacterial infections. A new QS signal molecule identified as IQS, for its role in integrating the QS network and stress response mechanism, was reported in Nature Chemical Biology in 2013 that it may replace the Las system as top control function. Our research group has concentrated on QS inhibitors for more than ten years, accumulated a lot of structural information and explored the quantitative structure-activity relationship of some IQS derivatives. This project aims to design and synthesize the novel IQS lead compounds based on 3D-QSAR results, molecular similarity search and bio-isostere principle, and then to rational design a series of small molecule probes called PAL-CC-ABPP for IQS quorum sensing on the basis of the click conjugation of our lead compounds and biotin. After extensive biological evaluation, this project is expected to supply a panel of toolkit molecules for regulating IQS quorum sensing, as well as to lay a solid foundation for the definition of iqs target, clarification of the new QS mechanism and further antibacterial drug design and development.

细菌群体感应是细菌调控自身致病性的重要作用机制，已成为当今抗菌药物研发的新型靶标。Nature Chemical Biology在2013年报道了一个新型群感信号分子IQS可以替代Las的顶层调控功能，实现了重大理论突破，也为抗菌药物的研发提供了新的思路。本课题组十余年来专注群体感应抑制剂的研究，积累了丰富的化合物结构信息，并且已探索了IQS衍生物的构效关系。本项目拟基于前期基础，选定IQS为研究对象，采用3D-QSAR模型预测、分子相似性搜寻和生物电子等排原理进行合理设计，合成具有全新结构的IQS型群体感应先导化合物，通过系统生物活性评价及其构效关系研究，进而设计、并“点击法”合成出PAL-CC-ABPP 型小分子探针，以期获得高选择性的工具药分子，为下一步明确IQS作用靶标、揭示群体感应系统新的作用机制和研发新型抗菌药物奠定坚实基础。

近年研究者在铜绿假单胞菌这一具有典型的群体感应系统介导生物膜的模式菌中发现了一个全新的群体感应系统IQS，该系统的发现有望为目前群体感应抑制治疗效果不佳的问题提供新的解决方案。本课题以IQS结构为模板，重点以噻唑环进行结构衍生，开发了靶向新型群体感应系统IQS的生物膜抑制剂，首次在信号分子中发现的噻唑环在信号识别中的作用，并最终得到新型有效的治疗细菌形成生物膜造成的慢性感染的先导化合物。.结合得到的结构信息基础，根据结构相似性搜索、场相似的分子设计和生物电子等排体等经验学三种原则合理设计一共设计了5个系列化合物(联苯噻唑类，苯并噻唑类，噻唑酸酯类，噻唑酰胺类，喹啉类)；采用结晶紫染色法对IQS衍生物进行了初步的生物膜抑制活性筛选，得到活性较好的化合物，可用于下一步机制研究。. 本项目合成了104个IQS衍生物，所有化合物均通过1H NMR、13C NMR、ESI-HRMS进行结构确证。筛选出了3个活性较优的化合物进行机制研究。对选出的最优化合物进行了QS报告菌株的检测，发现其中一个化合物是由QS介导的生物膜抑制。抑制QS报告菌株PA-rhlA-gfp和PA-pqsA-gfp，但是对PA-lasB-gfp系统没有影响。之后通过表型分析检测了由rhl系统控制的鼠李糖和pqs系统控制的绿脓素的产生，发现B-11化合物可以47%抑制鼠李糖脂的产生并且30%抑制绿脓素的产生。其他机制分析中，对IQS的报道中提到低磷条件下IQS也被激活在营养条件下是受到las系统控制，所以进行了低磷条件下的生物膜抑制活性检测，发现低磷条件下化合物具有明显的生物膜抑制作用，在营养条件下则相反。也验证B-11化合物是通过IQS系统介导生物膜抑制活性，为新型群体感应系统介导的生物膜抑制剂提供了新的先导化合物，实验结果也表明IQS系统对生物膜的调控具有一定作用。