根除结核病(TB)的努力受到这样一个事实的阻碍，即致病细菌具有一种复杂的机制，可以在被感染的细胞中休眠生存。现在，由威尔康奈尔医学院的研究人员领导的一组科学家已经确定了抑制这种机制的化合物，而不会损害人体细胞。研究结果发表在下一期《自然》杂志上，并于今天在网上发表，其中包括对抑制剂分子如何与细菌蛋白质相互作用的结构研究，并可能导致新的抗结核药物的设计。
“我们相信这些发现代表了开发抗生素对抗结核病的一种新方法，”资深作者兼微生物学和免疫学系主任、R.A. Rees Pritchett微生物学教授、威尔康奈尔医学院Abby和Howard P. Milstein传染病化学生物学项目主任Carl Nathan博士说。“这很重要，因为我们正在用尽目前可用的有效抗生素。很少有药物能够成功地对抗处于休眠阶段的结核病，这使得这种细菌在体内具有很强的适应性。更重要的是，有许多抗生素通过阻断蛋白质合成来杀死细菌，但没有一种抗生素像我们在这里发现的那样，通过干扰蛋白质分解来杀死细菌。”
结核分枝杆菌是导致结核病的细菌，全世界有三分之一的人受到感染。大多数感染者没有症状，因为细菌在免疫系统细胞内受到控制。这些细胞产生诸如一氧化氮之类的化合物，科学家认为这种化合物会破坏或摧毁细菌的蛋白质。如果任其累积，受损的蛋白质会杀死细菌。
但是结核细菌有一种复杂的方法来去除受损的蛋白质——一种被称为蛋白酶体的蛋白质切割复合体——内森实验室在早期的研究中发现了这种复合体。通过分解受损的蛋白质，蛋白酶体使细菌保持休眠状态，并可能继续引起活动性结核病。找到使蛋白酶体失效的药物将是对抗结核病的新方法。
在开发蛋白酶体抑制剂药物的过程中，科学家们面临着几个障碍。一个重要的事实是，人类细胞也拥有蛋白酶体，这对它们的生存至关重要。为了有效，这些药物必须专门针对结核病蛋白酶体，而不会对人类蛋白质清除复合物产生不利影响。
“这项研究代表了设计治疗结核病的抗生素策略的转变，”林博士说，他是威尔康奈尔医学院微生物学和免疫学的第一作者和助理研究教授。“在此之前，研究人员专注于开发在活跃阶段攻击细菌的药物，但我们的团队发现了一种化合物，可能有助于摧毁处于休眠阶段的细菌。”
威尔-康奈尔大学的研究小组筛选了2万种化合物来检测结核菌蛋白酶体的抑制活性。他们鉴定并合成了一组抑制剂，然后测试了它们抑制分枝杆菌内蛋白酶体的能力。他们还测试了这些化合物对培养的猴子上皮细胞和人类免疫系统细胞的影响。
筛选在高通量筛选资源设施进行，该设施是威尔康奈尔医学院和洛克菲勒大学共同资助的合作项目。此外，洛克菲勒大学蛋白质组学资源中心主任邓海腾博士帮助分析了抑制的机制。
由林博士设计并在威尔康奈尔大学米尔斯坦化学核心设施合成的一系列相关化合物被证明对结核病细菌有效，同时对哺乳动物细胞没有明显的毒性。此外，这些化合物对一系列其他细菌没有抗菌活性，这表明它们似乎对结核病微生物具有高度特异性。此外，结核蛋白酶体的抑制是不可逆的，比对人类蛋白酶体的轻微抑制有效约1000倍。
为了进一步了解和确认抑制机制及其物种选择性的基础，来自纽约厄普顿布鲁海文国家实验室的合著者和生物物理学家Huilin Li博士和他的团队确定了暴露于抑制剂后结核蛋白酶体的原子水平晶体结构。这些研究是在布鲁克海文实验室的国家同步加速器光源(NSLS)进行的，这是一个强x射线、紫外线和红外光束的来源。
结构研究表明，抑制剂分子以多种方式阻断蛋白酶体降解蛋白质的能力:通过对蛋白酶体活性位点产生直接的化学变化，以及通过改变蛋白质片段在降解前结合的“口袋”的构象。
李说:“这种构象变化使口袋收缩到不能容纳蛋白质底物的程度。”“结核病蛋白酶体的许多氨基酸残基参与了这种构象变化，有些远离活性位点，与人类蛋白酶体中的氨基酸残基不同。这也许可以解释为什么在人类蛋白酶体中没有观察到这种显著的抑制作用，因为人类酶可能无法经历同样的结构变化。”
因此，对这些抑制剂引起构象变化的步骤的详细了解可以指导下一代抗结核药物的设计。
这项研究由美国国立卫生研究院(NIH)和威尔康奈尔医学院传染病化学生物学米尔斯坦项目资助。布鲁克海文实验室的NSLS由美国能源部科学办公室下属的基础能源科学办公室提供支持。
其他共同作者包括Luiz Pedro Sorio de Carvalho, Hui Tao, Guillaume Vogt, Kangyun Wu, Jean Schneider, Tamutenda Chidawanyika, J. David Warren，均来自威尔康奈尔大学;来自纽约州厄普顿布鲁克海文国家实验室的李东阳。
