抗生素令RNA聚合酶失效的原理

研究人员应用了一种新技术来生成大肠杆菌突变的完整清单，在大肠杆菌中，抗生素利福平附着在一种被称为RNA聚合酶(RNAP)的基本细菌酶上并使其失效。

　　

现代医学依靠抗生素通过破坏细菌细胞内的目标来治疗感染。一旦进入这些细胞，抗生素就会与特定酶目标上的特定位点结合，以阻止细菌生长。针对这些靶标的基因中随机发生的变化(突变)是自然发生的，在某些情况下，使抗生素更难附着在靶标上，并且细菌版本对治疗产生抗药性。

由于这个原因，随着时间的推移，使用的抗生素越多，细菌种群进化出对现有抗生素具有耐药性的突变体的可能性就越大，对新方法的呼吁就越迫切，以防止这些治疗方法过时。几十年来，研究人员一直在研究耐药突变体，希望相关机制能够指导设计新的治疗方法来克服耐药性。然而，这方面的努力是有限的，因为自然发生的耐药突变只占可能发生的突变的一小部分(完整的突变空间)，大多数药物结合位点突变迄今为止都被忽视了。

为了应对这一挑战，由纽约大学格罗斯曼医学院的研究人员领导的一项新研究应用了一种名为MAGE(多重自动基因组工程)的技术来生成细菌物种大肠杆菌突变的完整清单，抗生素利福平附着在大肠杆菌中并使一种称为RNA聚合酶(RNAP)的基本细菌酶失效。该研究的作者通过用自然界中存在的20种氨基酸替代构成大肠杆菌利福平结合位点的38个氨基酸构建块中的每一个，创造了760个独特的RNAP突变体。然后在不同条件下测试该突变体池的生长，包括利福平处理。

8月30日在线发表在《Nature》杂志上的这项研究发现，两种突变体L521Y和T525D对利福平极度敏感。抗生素不仅阻止了这些突变体的生长，而且几乎消灭了突变的细菌种群。作者说，这是一个了不起的发现，因为利福平通常不会杀死大肠杆菌或许多其他细菌病原体，而只是阻止它们的生长。

“这项工作提供了抗生素-细菌RNAP相互作用的地图，这将对化学家们有价值，他们通过改变利富平和其他抗生素的结构来建立研究效果，而不是细菌结合位点残基，以便它们结合更紧密，从而提高效力，”研究共同高级研究员Evgeny Nudler博士说。“我们的研究结果还提出了提高利福平与变形杆菌、放线菌和厚壁菌门结合能力的方法，这些细菌群包括天然RNAP突变，使它们对利福平脆弱。”

利福平是如何杀死细菌的

大肠杆菌将遗传指令储存在DNA链中，然后将其转化为RNA中的相关遗传物质，RNAP构建RNA链，引导氨基酸构建蛋白质。在这项新研究中产生的突变表明，利福平通过阻止RNAP杀死细菌，从而导致RNAP与细胞机器之间的碰撞，细胞机器在细胞分裂和繁殖时在同一分子空间复制DNA。这反过来会导致细菌DNA的两条链发生致命的断裂。

在这项研究的其他见解中，一些大肠杆菌RNAP结合位点的突变被发现大大加快了RNAP构建RNA的速度，从而加快了它消耗原材料的速度，包括核苷酸构建块，如嘧啶。研究人员说，这项工作对于理解核苷酸类似物(如抗癌药物5FU)的作用机制具有重要意义。他们说，了解核苷酸耗竭如何使细胞对核苷酸供应敏感，可能有助于设计新的联合疗法。

“这些技术可以应用于绘制其他药物类型的结合位点，特别是那些容易产生耐药性的药物，”共同高级研究员、纽约大学朗格尼分校的研究科学家Aviram Rasouly博士说。

High resolution landscape of an antibiotic binding site