客户文章 | ANTIMICROB AGENTS CH发表武汉病毒所关于抗结核药物新靶点的研究成果

2021年11月，中国科学院武汉病毒研究所邓教宇研究员和佛山第四人民医院周杰院长作为共同通讯作者在抗菌药物研究权威期刊《Antimicrobial Agents and Chemotherapy》上在线发表了名为“Decreased Methylenetetrahydrofolate Reductase Activity Leads to Increased Sensitivity to para-Aminosalicylic Acid in Mycobacterium tuberculosis”的论文。武汉病毒研究所博士研究生于记芳和博士研究生徐锦添为论文共同第一作者。该研究鉴定了结核分枝杆菌中的甲硫氨酸合成所必需的亚甲基四氢叶酸还原酶，并揭示该酶是潜在的抗结核药物设计靶点。我公司参与了该研究中结核菌体内甲硫氨酸的定量检测工作。原文链接：https://journals.asm.org/doi/abs/10.1128/AAC.01465-21。

研究背景

结核病（Tuberculosis, TB）是由结核分枝杆菌（M. tuberculosis）引起的一种古老的传染病。目前仍然是人类最致命的疾病之一。根据世界卫生组织的报告，全球每年新增约1000万的活动性结核病例，同时约有150万人死于结核病。自1968年利福平问世后，已有50多年没有新的一线抗结核药物被应用于临床。随着耐药结核菌的出现与蔓延，结核病的诊治变的更加困难。因此迫切需要开发新的抗结核药物或治疗方案以及新的耐药诊断方法。

研究思路

      叶酸（Folate）为生物体生命活动提供重要的辅因子，四氢叶酸（THF）为氨基酸合成与转化、N-甲酰甲硫氨酸tRNA合成、泛酸合成、嘌呤和胸腺嘧啶脱氧核苷酸的合成提供重要的一碳单元，维持着一碳循环。叶酸拮抗剂——对氨基水杨酸（PAS）和磺胺甲恶唑（SMX），是用于治疗结核病的两种重要抗结核药物，通过阻断叶酸合成来抑制细菌生长。

叶酸下游代谢

作为叶酸下游代谢的关键酶，NAD(P)H依赖的亚甲基四氢叶酸还原酶(MTHFR)催化 5, 10-亚甲基四氢叶酸(N⁵, N¹⁰-methylene THF, 5, 10-CH₂-THF)生成 5-甲基四氢叶酸(N⁵-methyl THF, 5-CH₃-THF)。该反应是细菌甲基四氢叶酸的唯一来源，它为甲硫氨酸合成提供一碳单元并维持四氢叶酸的循环和稳态。而结核分枝杆菌中的 MTHFR尚未被鉴定或注释。

Rv2172c还原酶活性检测

研究结果

      在该研究中， Rv2172c被表征为结核分枝杆菌体内的MTHFR，R159和L214是该酶的2个关键酶活位点。R159N和L214A突变使结核分枝杆菌表现出明显的生长缺陷且对PAS和SMX均高度敏感。进一步的实验证明突变株的生长缺陷及对PAS的敏感表型，很大程度是源于菌体内甲硫氨酸的合成受损。早期研究发现阻断结核分枝杆菌甲硫氨酸的生物合成会使结核分枝杆菌在小鼠体内的存活能力急剧降低。尽管人体中也有MTHFR，但其催化区一级序列与Rv2172c同源性不到30 %，且通过结构模拟预测Rv2172c在三级结构上与人源MTHFR结构上存在较大差异。结核分枝杆菌中亚甲基四氢叶酸还原酶可能是理想的抗结核药物或叶酸拮抗剂增效剂设计靶标。

Rv2172c结构模拟

突变体中甲硫氨酸含量

参考文献

   

     Berney, M., Berney-Meyer, L., Wong, K.W., Chen, B., Chen, M., Kim, J., Wang, J., Harris, D., Parkhill, J., Chan, J., et al. (2015). Essential roles of methionine and S-adenosylmethionine in the autarkic lifestyle of Mycobacterium tuberculosis. Proc Natl Acad Sci U S A 112, 10008-10013.

    Froese D.S., Kopec J., Rembeza E., Bezerra G.A., Oberholzer A.E., Suormala T., Lutz S., Chalk R., Borkowska O., Baumgartner M.R., et al. (2018). Structural basis for the regulation of human 5,10-methylenetetrahydrofolate reductase by phosphorylation and S-adenosylmethionine inhibition. Nat Commun 9:2261.