近日，深圳湾实验室唐啸宇课题组与香港大学化学系、中国医科院药物研究所组成的联合交叉攻关团队开发了一种基于生物合成规则为指导的方法用于挖掘含烯基硫醚环肽结构的抗菌肽分子。通过该策略，研究者发现了6个结构新颖的抗菌肽，其中一个命名为Massatide A的分子在体外和体内实验中均展现出优秀的抑制多重耐药菌活性，这一发现为抗击耐药菌感染药物的开发提供了重要候选分子。该研究成果近期发表在《自然·通讯》，并被自然系列临床前药物发现（Pre-clinical drug discovery）专辑收录。

抗生素耐药性已经成为威胁全球公共卫生健康的危机。核糖体翻译后修饰肽（RiPPs）因其多样性和独特的结构，成为多肽类抗生素的重要候选物。这些肽由于其特殊的大环结构，能够抵抗蛋白酶并保持活性构象，从而有效地与靶标结合。含有烯基硫醚环肽（ACyPs）是一类高度修饰的环肽并有显著的活性，因此，本研究希望对ACyPs生物合成基因簇进行系统的生物信息学分析，从而发现新的环肽类抗生素。


图1 基于生物合成规则为指导的基因组挖掘策略


作者首先系统地总结了生物体产生ACyPs所遵循的生物合成规则（图1），然后利用课题组前期开发的生物信息学工具SPECO，在生物合成规则的指导下，从5万多个细菌基因组中找到1172个编码含有ACyPs结构的抗菌肽的候选基因簇（BGC）。这些BGC有可能产生具有抗菌活性的肽。通过MMseqs2聚类分析，进一步将1172个BGC分为67个ACyPs家族 （图1）。


接下来，考虑到RiPPs生物合成的特点，以及基因挖掘逻辑中前体肽序列的可预测性，作者建立了一套高效锁定基因簇对应代谢产物的方法。通过对菌株代谢产物的高分辨质谱分析，异源表达，核磁等手段，从3个候选基因簇中成功鉴定了6个新的ACyPs （图2）。


图2 本研究中发现的6个新ACyPs抗生素


其中，最值得注意的是一个名为massatide A的class V lanthipeptide，它对革兰氏阳性菌显示出十分优越的抗菌活性（与万古霉素相当）。在对临床耐药菌株的测试中，massatide A 对耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌，耐利奈唑胺的金黄色葡萄球菌，耐万古霉素的金黄色葡萄球菌都仍然显示强效抗菌活性，最低MIC值0.25 μg/mL。并且，指示菌在亚抑制浓度下连续传代25天，也显示出相对较低的耐药风险。在动物感染模型中，massatide A也展现了优越的治疗效果，证明了该化合物在体内的有效性（图3）。与目前已进入临床研究阶段的同类型化合物gallidermin 和 NVB302相比，massatide A的抗菌活性更强。这些结果都显示出该化合物作为新型抗生素开发候选物的巨大潜力。


图3 Massatide的抗菌活性测定

综上，本研究不仅为抗菌药物开发提供了新的抗菌肽，还展示了基因组挖掘在药物发现中的重要性，以及高效锁定基因簇对应产物的新方法。未来，随着越来越多的微生物基因组可获得，ACyPs 的挖掘，生物合成，生物活性研究，将为新抗生素的开发提供宝贵资源。


香港大学化学系李泳新助理教授、深圳湾实验室唐啸宇研究员和中国医学科学院药物研究所张文轩副研究员为论文共同通讯作者。第一作者为香港大学与深圳湾实验室联合培养的博士生程焯，香港大学贺贝贝博士在生信分析部分也做了重要贡献。该研究得到了中国国家重点研究计划、香港研究资助局、深圳湾实验室基金和医学科学创新基金的资助和支持。