Identification of a small molecule with activity against drug-resistant and persistent tuberculosis

Feng Wang, Dhinakaran Sambandan, Rajkumar Halder et al.

Proc Natl Acad Sci USA. 2013. 110: 10879-10880

Speaker: Yu-Chi Ho (賀聿齊)                                                      Time: 15:10~16:00, Oct. 2, 2013

Commentator: Dr. Liu, Ching-Chuan (劉清泉 博士)         Place: Room 601

Abstract

   結核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis,Mtb) 糾纏人類並且造成疾病及死亡已有數千年的歷史， 此細菌之所以能夠影響人類至今並且難以治療的原因，其中之一是它可以潛伏在人體內不被宿主免疫系統或是抗生素殺死，這些經過篩選存活下來的結核菌成為抗藥性菌株，例如: multidrug-resistant (MDR) 或是 extensively drug-resistant (XDR) strains，抗藥性菌株的產生及傳播造成後續治療更加困難(1)，因此，現今急需要找到一種可以縮短治療時間並且真正能夠對付抗藥性菌株的新藥物。生物膜(biofilm)的形成對於結核菌的致病是很重要的，先前的文獻也有提到在慢性的感染情況下會形成生物膜，因此作者利用結核菌形成生物膜的生長情況下，進行高通量藥物篩選，觀察70,000種物質對於結核菌的生物膜和生長的抑制作用。最終篩選到一化合物，TCA1，它特別對於結核菌的生物膜生成有抑制作用，也特別顯現出對於分枝桿菌屬有殺菌活性，而且無論是在「複製中的結核菌」(野生株和抗藥菌株)或是在「休眠中的結核菌」都有殺菌效果。TCA1單獨使用或是結合抗生素(Rifampicin 或 isoniazid)，在小鼠實驗中，對於急性的結核菌感染或是慢性的結核菌感染都有殺菌效果。為了要更進一步的探討TCA1的作用機制，作者利用Microarray的方式，比較結核菌(H37Rv野生株)經過TCA1的作用之後，基因的表現有何差異，並且觀察到許多和「結核菌休眠調控基因」以及「抗藥物基因」在TCA1作用後被下降了，作者推論可能TCA1可以抑制這些基因使得結核菌的抗藥性下降。它們也篩選出對於TCA1有抗藥性的菌株，而且進一步對此抗藥菌株做全基因定序，發現到，在這些抗TCA1藥物的菌株都包含有一個點突變位於編碼序列rv3790，這個點突變造成胺基酸的改變並且在蛋白質DprE1上，DprE1在細胞壁合成扮演很重要的酵素功能。作者接著解出DprE1和TCA1結合的結構，發現此突變可能造成TCA1和DprE1的親和性下降，這些線索指出此蛋白也許是TCA1對付結核菌的目標物。作者也使用TCA1的類似物TCA17，將TCA17一端接上樹脂固定住，並且去抓可能與它結合的蛋白質，最後分離出蛋白MoeW，它是參與鉬元素輔因子(molybdenum cofactor, MoCo)合成所需的酵素，MoCo的合成是結核菌進行硝酸呼吸作用及吸收硝酸還原酶所必需的物質(2)。它們發現TCA1可以透過和MoeW作用，抑制MoCo的生合成途徑，進一步產生殺死結核菌的效果。總而言之，此研究顯示出，透過抑制生物膜生成來篩選藥物，可有效的找出藥物來對付結核菌，無論是在休眠狀態、複製狀態以及抗藥性的結核菌，TCA1的功能在此也發現，它可透過抑制兩種不同的生合成途徑來達到殺菌效果。

References

1. Gandhi NR, et al. HIV coinfection in multidrug- and extensively drug-resistant tuberculosis results in high early mortality. Am J Respir Crit Care Med 181(1):80–86.(2010)

2. Williams MJ. et al. Functional analysis of molybdopterin biosynthesis in mycobacteria identifies a fused molybdopterin synthase in Mycobacterium tuberculosis. J Bacteriol 193(1):98–106.(2011)