近期，知名医学期刊《柳叶刀》刊文提醒，到 2050 年，全球可能有超过 3900 万人的死亡直接关联细菌对抗生素产生耐药性。实际上，早在十年前就学者提出，甲氧西林耐药金黄色葡萄球菌（MRSA）、乙肝、艾滋病感染已成为世界三大最难根治的感染性疾病。根据中国细菌耐药监测网 CHINET 最新数据，经过十几年连续下降后，MRSA 的耐药性问题在 2023 年首次出现反弹，形势再次严峻。迫切需要基于新机制发展更有效的抗生素。酪蛋白水解酶 P（ClpP）作为一种在细菌和人类中高度保守的丝氨酸蛋白酶，被认为是抗菌药物研发的潜在靶点。化学调控细菌 ClpP 的功能可以作为一种有效的抗菌策略。实现对金黄色葡萄球菌 ClpP（SaClpP）的选择性激活，同时避免对人线粒体 ClpP（HsClpP）的影响，是该研究方向上的难点。简单的说，发展 SaClpP 选择性的激动剂以实现抗 MRSA 感染效果，则会避免对宿主 HsClpP 功能干扰影响线粒体内蛋白质稳态，提高抗生素使用的安全性。杨财广实验室长期在 ClpP 蛋白酶的结构、作用机制以及小分子激动剂等方面开展研究工作，取得了系列进展[1-5]。2022 年该课题组报道了化合物 ZG197 选择性激活 SaClpP 的水解功能，几乎不影响 HsClpP 的活性，并在小鼠感染模型上展示良好的抗 MRSA 感染的疗效[6]。然而，化合物 ZG197 的抗 MRSA 活性仍有待进一步提高。
2024 年 11 月 29 日，上海药物所杨财广实验室在 Cell Reports Medicine 在线发表题为"Structure-guided development of selective caseinolytic protease P agonists as antistaphylococcal agents"的重要研究。他们基于蛋白质晶体结构导向，结合构效关系研究，获得化合物 ZG297。ZG297 能够选择性激活 SaClpP，同时对 HsClpP 无显著作用。通过晶体结构解析，研究发现 ZG297 的特异性源于 SaClpP 和 HsClpP 中的互补「酪氨酸/组氨酸」氨基酸对，该结构为 ZG297 提供了独特的结合位点，显著增强了与 SaClpP 的相互作用。与已报道的 ClpP 激动剂，如 ADEP4、ONC212 和 (R)-ZG197 相比，ZG297 展现出更优越的结合能力和选择性。此外，该研究检测了 ZG297 对从上海东方医院获得的多种临床分离 MRSA 菌株的抗菌活性。结果显示，ZG297 对多种抗生素耐药的 MRSA 菌株均具有优异的抗菌活性。在这些临床分离 MRSA 菌感染的大蜡螟和斑马鱼模型中，ZG297 显著提高了感染个体的存活率。同时，在小鼠皮肤感染模型中，ZG297 可有效缩小感染部位的病变面积和荷菌量。值得注意的是，通过乏营养诱导获得稳定期的 MRSA 菌，建立小鼠大腿肌肉 MRSA 慢性感染模型，ZG297 与利福平联用能够显著清除大腿肌肉中的感染细菌数量。
图1 金黄色葡萄球菌 ClpP 选择性激动剂抗 MRSA 感染研究。总之，这项研究报导了对 SaClpP 具有高选择性和优异抗菌活性的化合物 ZG297，同时揭示了一种新的策略用于设计 SaClpP 选择性激动剂，对发展靶向激活 ClpP 的抗生素研究具有重要价值。上海药物所副研究员张涛博士、研究生周海玲，国科大杭州高等研究院王蓬宇博士、研究生魏柄妍为论文的共同第一作者，上海药物所杨财广研究员为通讯作者。该研究得到上海同步辐射光源的支持，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会和国家资助博士后研究人员计划的资助。
参考文献：
1. Zhang J, Ye F, Lan L, Jiang H, Luo C, Yang CG. Structural switching of Staphylococcus aureus Clp protease: a key to understanding protease dynamics. J Biol Chem. 2011 Oct 28;286(43):37590-601.
2. Ye F, Zhang J, Liu H, Hilgenfeld R, Zhang R, Kong X, Li L, Lu J, Zhang X, Li D, Jiang H, Yang CG, Luo C. Helix unfolding/refolding characterizes the functional dynamics of Staphylococcus aureus Clp protease. J Biol Chem. 2013 Jun 14;288(24):17643-53.
3. Ni T, Ye F, Liu X, Zhang J, Liu H, Li J, Zhang Y, Sun Y, Wang M, Luo C, Jiang H, Lan L, Gan J, Zhang A, Zhou H, Yang CG. Characterization of Gain-of-Function Mutant Provides New Insights into ClpP Structure. ACS Chem Biol. 2016 Jul 15;11(7):1964-72.
4. Wang P, Zhang T, Wang X, Xiao H, Li H, Zhou LL, Yang T, Wei B, Zhu Z, Zhou L, Yang S, Lu X, Zhang Y, Huang Y, Gan J, Yang CG. Aberrant human ClpP activation disturbs mitochondrial proteome homeostasis to suppress pancreatic ductal adenocarcinoma. Cell Chem Biol. 2022 Sep 15;29(9):1396-1408.e8.
5. Zhou LL, Zhang T, Xue Y, Yue C, Pan Y, Wang P, Yang T, Li M, Zhou H, Ding K, Gan J, Ji H, Yang CG. Selective activator of human ClpP triggers cell cycle arrest to inhibit lung squamous cell carcinoma. Nat Commun. 2023 Nov 3;14(1):7069.
6. Wei B, Zhang T, Wang P, Pan Y, Li J, Chen W, Zhang M, Ji Q, Wu W, Lan L, Gan J, Yang CG. Anti-infective therapy using species-specific activators of Staphylococcus aureus ClpP. Nat Commun. 2022 Nov 14;13(1):6909.
