以细菌RNA聚合酶开关区为靶点的新型二硫吡咯酮衍生物的合成及抗菌活性研究

Bacterial RNA polymerase (RNAP) is one of the most popular drug target for screening new antibacterial agent with broad-spectrum and high-potency, some RNAP inhibitors are in current clinical use in treatment of both Gram-positive and Gram-negative bacterial infections. However, most existing RNAP inhibitors targeting the β or β' subunits of bacterial RNAP core, the clinical utility of the RNAP inhibitors is threatened by the existence of bacterial strains resistant to RNAP inhibitors. In our previous study, we found that there are a big hydrophobic pocket in the switch region of RNAP, which contains both hydrogen acceptors and donators. We think this active pocket can be used in the drug design. Dithiolopyrrolones are a group of potent antibiotic natural products that possess the unique 4H-[1,2] dithiolo [4,3-b] pyrrol-5-one skeleton，and it considered to be the warhead for designing the next-generation of RNAP-associated drug. In this study, novel dithiolopyrrolone derivatives were designed and synthesized based on the structural features of RNAP switch region. All the newly synthesized compounds were evaluated for their RNAP inhibitory activity and antibacterial activity in vitro and in vivo, and study the properties of RNAP switch region active site and binding mode of RNAP and its inhibitors. The project can provide theoretical basis for the development of new antibacterial agents targeting the switch region of bacterial RNAP.

细菌RNA聚合酶（RNAP）是筛选高效广谱抗菌药物热门的药物靶标，已有部分RNAP抑制剂临床应用于感染性疾病的治疗。但现有的以RNAP为靶点的抗生素大部分均作用于易突变的β或β'亚基，导致多数RNAP抑制剂都出现耐药性问题。我们前期研究发现, RNAP的开关区月牙形疏水“口袋”左侧存在较大的空腔，空腔内裸露出多个氢键受体和供体，该空腔是可以充分利用的活性区域用于药物设计。二硫吡咯酮(DTP)类化合物是一类强效的天然抗生素，是设计下一代RNAP抑制剂的热门骨架。本项目中，我们以DTP类化合物为母核，针对宽口袋特有的蛋白序列和结构设计高效的RNAP选择性抑制剂。测试其对RNAP的抑制活性、体外和体内抗菌活性，并通过蛋白-药物共结晶确证其与RNAP的结合模式和位点。项目将为以RNAP开关区为靶标的抗菌药物研究提新的作用位点和新型选择型高效抑制剂。

细菌耐药性问题已成为全球关注的医疗问题，严重地威胁着感染性疾病的治疗。细菌RNA聚合酶（RNAP）是筛选高效广谱抗菌药物的热门药物靶标。天然的二硫吡咯酮类化合物是一类具有独特结构的细菌RNAP抑制剂，具有广谱的抗菌活性，是开发新型抗菌药物的热门化学骨架之一。本项目按照原定的研究方案和技术路线，设计并合成了4个系列（A～D）共64个N-芳基二硫吡咯酮衍生物，通过对其进行体外抗菌活性研究，发现部分化合物对革兰氏阳性菌的抑制活性较强，尤其是对肺炎链球菌和金黄色葡萄球菌表现出较强的抑制活性。构效关系研究表明，N-4位的2,4-二甲氧基苯基取代基有利于提高抗菌活性。优选发现了3个体外具有强效抗菌活性的化合物A6e、C11b以及D13c，它们抑制大肠埃希菌RNAP的IC50 值分别为12.0、19.4和16.06 μM；化合物A6e表现出强效的耐利福平金黄色葡萄球菌（RRSA）的抗菌活性（MIC= 1～2 μg/mL）；化合物C11b 对RRSA的MIC值是4 µg/mL，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐万古霉素金黄色葡萄球菌（VRSA）的MIC值都是2 µg/mL，对中度耐青霉素肺炎链球菌（MPRSP）的MIC值为<=0.125 µg/mL。化合物D13c对3种耐药金黄色葡萄球菌（RRSA、MRSA、VRSA）的MIC值在1～8 μg/mL。所有优选化合物都具有良好的类药性，分子对接结果表明这类化合物与细菌RNAP开关区具有较强的相互作用，可能的作用靶点是细菌RNAP开关区，初步阐明了它们与蛋白的作用模式。该项目的研究成果已分别发表了7篇论文，以及获得2篇授权中国发明专利，为进一步开发二硫吡咯酮类细菌RNAP抑制剂提供了科学依据。