▲第一作者：Matthew J. Mitcheltree, Amarnath Pisipati, Egor A. Syroegin

通讯作者：Andrew G. Myers, Yury S. Polikanov

通讯单位：Harvard University, University of Illinois at Chicago

DOI: 10.1038/s41586-021-04045-6

背景介绍

缺乏针对耐抗生素细菌的有效新药是一个日益引起全球公共卫生关注的问题。50多年来，对新抗生素的研究一直严重依赖于对天然产物的化学修饰（半合成)，这种方法不足以应对迅速演变的耐药性威胁。半合成修饰在多功能抗生素中通常范围有限，通常增加分子量，很少允许底层支架的修饰。而如果设计得当，全合成可以很容易地解决这些缺点。

本文亮点

● 本文报道了结构导向设计和基于组件的刚性氧杂嘌呤支架合成，当连接到克林霉素的氨基半乳糖残基时，产生一种特殊的效能和光谱活性的抗生素，作者将其命名为iboxamycin。

● Iboxamycin对ESKAPE病原体有效，包括表达Erm和Cfr核糖体RNA甲基转移酶的菌株，以及对所有临床相关针对大核糖体亚基的抗生素(即大环内酯类、林可酰胺类、酚类、恶唑烷酮类、胸膜多菌素类和链霉素)产生耐药性的基因产物。

● 作者对伊博霉素与天然细菌核糖体以及Erm-甲基化核糖体复合物的X射线晶体学研究，揭示了这种增强活性的结构基础，包括在抗生素结合上的m6 2A2058核苷酸的置换。

● Iboxamycin是口服生物可利用的，对治疗小鼠的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌感染都是安全有效的，本文证明了化学合成在耐药性不断增加的时代提供新抗生素的能力。

图文解析

核糖体是细菌中的一个主要抗生素靶点，林可酰胺类是现代药典证明必不可少的几个核糖体靶点类别之一。林可霉素（ 1 ；图1a）是该类的创始成员，于1963年首次从内布拉斯加州土壤链霉菌中分离出来，并很快被发现用于治疗链球菌、肺炎球菌和葡萄球菌感染。在 1 的早期半合成修饰中，氨基糖残基C7位置的立体转化脱氧氯化产生了现在称为克林霉素的抗生素（ 2 ；图1a），这是一种具有改进的药代动力学性质和增强的活性谱的分子，已在很大程度上取代人类药物中的林可霉素。自美国食品和药物管理局于1970年批准克林霉素以来，已经探索了林可酰胺发现的半合成和全合成方法，产生了含有六元和七元氨基酰基残基的候选药物，每种药物都具有扩展的活性谱（例如， 3 ；图1a）。在大环内酯类抗生素的合成中，一个关键片段偶联的立体选择性醛醇反应启发并使这些探索成为可能。因此，(R,R)-4烯醇化，手性甘氨酸等价物，然后加入双亲电试剂，导致依次的顺式-醛醇加成，然后自发的分子内 N -烷基化，生成β-羟基脯氨酸衍生物 6 （产率64%，2.3 g）（图1c）。

▲图1、一种新型抗生素支架的演变。

肉质培养药敏试验显示，IBX对广泛耐药菌株具有活性，包括ESKAPE病原体和对林可胺类抗生素耐药的 erm- 、 cfr- 和 lsa A - 表达菌株（图2a）。肠球菌病原体可导致广泛且危及生命的医疗相关感染，且对林可酰胺类药物不敏感，也广泛易感IBX：在粪肠球菌中，IBX克服了靶保护基因 lsaA 介导的固有耐药性（图2a），针对一组对万古霉素、利奈唑胺、强力霉素、阿奇霉素和左氧氟沙星具有不同耐药性的粪肠球菌和粪肠球菌菌株，MICs≤2 μg mL −1 （图2b）。耐碳青霉烯类大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和鲍曼不动杆菌等ESKAPE高优先级病原体，包括表达广谱β-内酰胺酶或氨基糖苷甲基化酶（ arm ）基因的菌株，对ESKAPE大多敏感(MIC≤16 μg ml −1 ；图2c)。在一个例子中，IBX对一株耐头孢菌素、氟喹诺酮、四环素和氨基糖苷类抗生素的大肠杆菌表现出活性(MIC = 8 μg ml −1 ；图2c)。接下来，作者研究了IBX在小鼠中性粒细胞减少性大腿感染模型中的疗效，使用标准菌株化脓性链球菌和鲍曼链球菌，临床菌株耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，临床菌株大肠杆菌显示氨基糖苷、四环素，氟喹诺酮和第三代头孢菌素多重耐药。在每个实验中，当与载体相比时，IBX在治疗后12小时内实现了细菌负荷的统计显著减少（图2d）。最后，在一个全身性感染模型中，作者研究了IBX从腹腔注射化脓性链球菌ATCC 19606致死攻击中拯救小鼠的能力。在该实验中，IBX在所有剂量水平下耐受性良好，并挽救了受感染的小鼠，所有接受3或10 mg kg −1 IBX治疗的小鼠都存活下来（图2e）。

▲图2、广谱抗生素IBX的体外和体内抑菌活性。

为了阐明活性提高的结构基础，作者使用X射线晶体学确定了与细菌核糖体结合的IBX的结构。无偏的 F O − F C 差值傅立叶图显示了与IBX特征化学特征相似的正电子密度峰，并证实抗生素结合在大的核糖体亚单位内的正结合口袋中（图3A），跨越肽基转移酶中心(PTC)并延伸到新生肽出口隧道（NPET）。与林可霉素和林可霉素一样，一个氢键网络将IBX的氨基半乳糖固定在NPET核苷酸A2058、A2059和A2503上（图3b）。类似地，IBX的阳离子氨基酰残基占据了由PTC残基G2061和U2504形成的亲水口袋（图3b)，取代了在无药核糖体中观察到的二价镁离子。与假设一致，核糖体结合的IBX的氧烷环与克林霉素的正丙基原子紧密重叠，并呈现7'-异丁基与23S rRNA残基A2451和C2452形成的A位裂口相互作用（图3c）。值得注意的是，IBX的7'-异丁基取代基在A位裂缝中延伸足够深，不仅与进入的氨基酸重叠(如克林霉素的正丙基，尽管程度较轻)，而且与p位氨基酸重叠（图3d）。

▲图3、IBX与70S核糖体、mRNA和tRNAs复合体的结构。

IBX对含有 erm 抗性基因的细菌的活性促使作者确定了与含有m6 2A2058的核糖体结合的IBX的晶体结构。值得注意的是，相应的电子密度图显示，IBX与甲基化核糖体的结合方式几乎与其在野生型核糖体中的位置相同，而m6 2A2058相对于其典型位置经历了约2Å的移动，以适应抗生素（图4）。A2058-N二甲基化以及之前未知的置换，破坏了残基和林可酰胺的氨基乙酰氨基部分之间通常形成的氢键（图4d）；这种破坏似乎足以破坏克林霉素与Erm修饰核糖体的结合。

▲图4、Iboxamycin（IBX）与Erm甲基化的70S核糖体结合的结构。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04045-6