基于结构的L-氨基酸脱氨酶抑制剂的发现及其抗尿路感染病原菌的活性研究

Urinary tract infection (UTI) caused by pathogenic bacteria such as Proteus is among the top three common infectious diseases in the world. Currently, the urinary tract infection treatment in clinic is widely relying on broad-spectrum antibiotics, which can easily lead to antibiotics resistance. Therefore, it is urgent to find the new antimicrobial agents that are specific to urinary tract infection. The membrane-bound L-amino acid deaminase (LAAD) is a necessary protein used for siderophore synthesis in the Proteus. LAAD plays a key role in Proteus survival and infection in the urinary tract where the iron ion content is extremely low, thus, LAAD is a potential anti-urinary tract infection pathogens drug target, as this protein is not found in humans. In previous study, the applicant reported the first membrane-bound LAAD crystal structure, and illustrated the substrate recognition mechanism, revealed the activity regulation function of insertion sequence module, and found a new mechanism of an amphipathic compound inhibited enzyme catalytic function by occupying its oxygen channel. On the basis of the previous work, this project intends to establish a machine learning and virtual screening model based on structural information, and combine the biological screening and verification to obtain the seedling compound. Resolve the target - inhibitor co-crystal structure, which used to guide the structural modification of the compound, and finally obtain the high activity, high specificity lead compound. The implementation of this project will verify the feasibility of LAAD as a drug target, and the lead compounds obtained will also pave the way for further development of a new type of the LAAD-targeted anti-urinary tract infection drug.

变形杆菌等引发的尿路感染是发病率位居全球前三的感染疾病，临床上主要使用广谱抗生素治疗，易引发耐药问题，亟需研发专一针对尿路感染的新型抗菌药物。膜结合L-氨基酸脱氨酶（LAAD）是变形杆菌属特有的铁载体合成蛋白，对其在铁含量极低的尿路中的生存与侵染发挥了关键作用，而人体中无此蛋白，因此是潜在的抗变形杆菌药物靶标。前期研究中，申请人解析了首个膜结合LAAD的晶体结构，阐明了其底物识别机制，揭示了插入结构域对酶活的调控，并发现了一种双亲性化合物占据LAAD底物氧通道的新颖抑制机制。在前期工作基础上，本项目拟建立基于结构信息的机器学习和虚拟筛选模型，结合实体筛选验证获得苗头化合物；解析靶标-抑制剂共晶结构指导化合物的结构改造最终获得高活性、高特异性的先导化合物。本项目的实施，将对膜结合LAAD可药性进行有益探索，获得的先导化合物也将为进一步研发靶向膜结合LAAD的新型抗尿路感染药物提供小分子基础。

尿路感染是发病率位居全球前三的感染性疾病，其致病菌按照常见程度依次为大肠杆菌、变形杆菌、葡萄球菌以及绿脓杆菌等。临床上普遍采用的广谱抗生素疗法极易引发细菌的耐药问题，因此发现新的抗菌靶点以及新机制的抗菌药物是防治尿路感染的重要研究方向。申请人前期研究发现变形杆菌属会表达一种特有的铁载体合成蛋白L-氨基酸脱氨酶（LAAD），帮助变形杆菌在铁离子含量极低的尿路中捕获铁离子，使其顺利的侵染和定殖在尿路器官中。近年来，以铁载体生物合成途径中关键蛋白为靶标的药物设计和筛选研究逐渐成为热点。研究者们通过设计铁载体合成或转运通路中相关蛋白质的抑制剂，抑制铁载体合成，阻碍致病菌对金属离子的摄取，从而延缓细菌感染与繁殖，为宿主的免疫应答提供时间。在本项目中，我们以LAAD作为抑制致病菌铁摄取的作用靶标，结合虚拟筛选和实体筛选的方法设计小分子抑制剂，并通过解析化合物与靶标的共晶结构探讨抑制剂可能作用机制，我们还将抑制致病菌金属摄取的靶标范围扩展到引起尿路感染的其他重要致病菌，期望达到多靶点协同抗菌的目标。本项目主要取得以下成果：1.建立了以LAAD为靶点的机器学习模型和虚拟筛选模型，结合酶水平实体化合物验证得到了26个苗头化合物。2.通过解析靶标-苗头化合物的共晶结构，阐明了化合物对靶标LAAD活性的抑制机制和作用模式。经过对苗头化合物进一步的结构优化，最终获得了高活性、高特异性的先导化合物3个。3.由于可以引起尿路感染的致病菌种类众多，我们也将研究范围扩展到可以引起尿路感染的其他重要致病菌，进一步讨论了细菌金属摄取途径或氨基酸代谢相关蛋白作为潜在抗菌靶标的可行性，并获得初步研究成果。项目的部分结果及数据在整理后发表SCI期刊4篇。本项目结合多种生物和药学研究方法对抑制致病菌金属摄取途径继而抑制尿路感染的可行性进行了探索，为这一类新的抗菌靶点和抗菌机制提供了理论和分子基础。

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