结核分枝杆菌tuberculosinols合成酶催化机制及抑制剂设计研究

As the emergence of first-line drug resistant and multi-resistant Mycobacterium tuberculosis variants, the efficacy of traditional anti-tuberculosis drugs is gradually weakening. How to inhibit the generation of virulence factors is becoming an important field of anti-tuberculosis drug design. For the inhibitory action on the immune response of host cells, tuberculosinols are quite crucial for the surviving of tuberculosis pathogen and deserve to be investigated for the development of novel anti-tuberculosis drugs. However, the studies of its biosynthesis mechanism and corresponding enzyme inhibitor are still confused. In the previous work, we have constructed the complete structural model of tuberculosinols synthetase, in which the coordination mode of magnesium ion was revealed. The subsequent work will aim at ascertaining the catalytic mechanism of tuberculosinols synthetase and clarifying its corresponding regulatory mechanism by using the classical molecular dynamics simulation and QM/MM method, and further designing and screening effective tuberculosinols synthetase inhibitors based on the reaction mechanism. In this proposal, a more comprehensive understanding about Mycobacterium tuberculosis virulence factors will be presented and the detailed biosynthesis mechanism will also be discussed. More significantly, we will obtain a series of effective lead compounds of tuberculosinols synthetase inhibitors through the combination of theoretical design and evaluation, which will be an extremely valuable guidance for the further exploitation of novel anti-tuberculosis drugs.

随着具有一线药物抗性的结核分枝杆菌变体以及多重耐药株的出现，传统抗结核药物对结核病的治疗效果已呈现乏力态势，如何抑制毒力因子的产生正成为新型抗结核药物设计的一个重要方向。Tuberculosinols是结核分枝杆菌抑制宿主细胞免疫应答的一种重要毒力因子，当前关于其生源机制以及相关酶抑制剂的研究相对匮乏。本项目前期工作得到了完整的tuberculosinols合成酶结构模型，明确了镁离子的配位模式等关键问题。接下来将在前期工作基础上采用分子动力学模拟以及QM/MM方法，进一步研究酶催化机制以及对应的调控方式；并进行基于反应机制的抑制剂设计和筛选。期望通过本项目的研究，进一步完善对结核分枝杆菌毒力因子的认识，填补其生源机制方面的理论空白；通过理论设计与评价筛选，得到若干酶抑制剂先导化合物，为当前基于抑制毒力因子产生的新型抗结核药物的设计开发提供极具价值的指导。

随着具有一线药物抗性的结核分枝杆菌变体以及多重耐药株的出现，传统抗结核药物对结核病的治疗效果已呈现乏力态势，如何抑制毒力因子的产生正成为新型抗结核药物设计的一个重要方向。Tuberculosinols是结核分枝杆菌抑制宿主细胞免疫应答的一种重要毒力因子，当前关于其生源机制以及相关酶抑制剂的研究相对匮乏。本项目通过对二萜合成酶结构功能研究，阐明了该类合成酶的结构特征及催化特性等，探明其可塑性的来源以及关键残基在催化反应中的作用；在此基础上构建合理可靠的tuberculosinols合成酶蛋白模型，并依此设计并筛选出一系列基于底物骨架结构对靶标蛋白有较强亲和力的化合物，结果发现底物分子骨架上烷基修饰或焦磷酸基团上氧原子取代都是大幅提升化合物与靶标蛋白的亲和力，这一结论为新型抗结核药物的设计研发提供活性分子和理论指导；另外，本项目通过计算生物学方法探明烟草5-表马兜铃烯合酶(TEAS)催化杂泛性来源于保守的Asp444-Tyr520氨基酸对，而地曲霉马兜铃烯合酶(ATAS)催化专一性的来源则是催化口袋内丰富的芳香族残基；同时还发现ω-转氨酶CrmG催化过程中PMP结合位点的柔性顶部区域有助于克服副产物抑制从而提升酶催化效率，上述研究成果对酶的理性设计和进一步应用具有重要价值；在化合物药理毒理研究方面，本项目研究发现二氧化硅纳米颗粒(SiO2 NPs)作用下细胞膜的相态对温度和膜组分变化更加敏感，从而揭示了SiO2 NPs的毒理效应和健康风险，随后成功开发了生物标志物（炭黑）在生物体内（巨噬细胞）定量检测工具用于污染物暴露风险评估和健康评价；最后，本项目还参与药用价值活性化合物的高效合成方法开发和优化，阐明了无保护条件下B(C6F5)3催化酚与α-和β-羟基酸的烷基化和内脂化反应机理，并通过克级实验和复杂分子功能化证实次方法的高实用性。总之，本项目研究成果不仅对基于tuberculosinols合成酶抑制剂的抗结核新药研发提供重要参考，还通过计算模拟技术为蛋白设计改造、污染物毒理和定量检测以及活性化合物化学合成优化等提供重要参考和指导。