由于抗生素的大量使用，临床耐药菌不断出现，抗生素耐药性已成为威胁人类生命健康的重大问题之一。延缓抗生素耐药性的产生以及发展新型抗菌策略是现代科学亟待解决的问题，这很大程度上依赖于对药物作用机制的深入理解以及对新型药物靶点的挖掘。金属化合物（如银、铋、镓）作为抗菌药物有着悠久的历史，在临床上使用广泛且不易产生耐药性，其独特的作用机制对于抗菌新策略的开发具有重要价值。因此，研究金属药物的抗菌机理并由此发展新型抗菌策略，是具有重要意义的前沿研究课题。

金黄葡萄球菌是一种常见的致病革兰氏阳性细菌，通常可以在人体的皮肤、鼻腔、肠道、伤口以及环境中的空气、土壤、污水等处存活，几乎无处不在。在食物中毒的个案中，金黄葡萄球菌是仅次于沙门氏菌和副溶血弧菌的第三大致病原。近年，过量使用抗生素的情况日益严重（包括治疗新冠肺炎时所使用的抗生素），导致社区和医院内出现了多种耐药性菌株，如耐甲氧西林金黄葡萄球菌、多重耐药性金黄葡萄球菌等。因此从临床角度而言，破解耐药性的机制和寻找新型的抗生素或辅剂可谓迫在眉睫。

香港大学化学系孙红哲、生命科学学院闫爱新和微生物系高一村等发现，硝酸银和纳米银可有效杀死一种常见的高感染性致病菌——金黄葡萄球菌（Staphylococcus aureus），并可作为抗生素辅剂用于恢复耐甲氧西林金黄葡萄球菌（MRSA）对抗生素的敏感性。通过进一步的多组学研究（金属蛋白质组学、生物信息学等），他们挖掘出银离子在金黄葡萄球菌体内的38个靶点蛋白。团队其后以其中一个重要靶点——6-磷酸葡萄糖脱氢酶（6PGDH）为例，通过X射线单晶衍射在原子层面揭示了银离子抑制其靶标蛋白的机制。研究成果已于近日在权威学术期刊《自然•通讯》（Nature Communications）中发表。

银离子（Ag+）和银纳米颗粒具有广谱抗菌作用，已广泛用于医药和食品工业中，但其高毒性限制了内服。开发降低银毒副作用的策略很大程度上取决于对其分子作用机制的理解。由于细胞中金属-蛋白质的相互作用非常复杂，目前缺乏在蛋白质组层面探索金属药物结合蛋白的技术，阻碍了对银及其它金属药物分子机制的理解。在前期的研究中，孙红哲教授的团队发现银离子可以有效地杀灭大肠杆菌，并将液相色谱（LC）和柱状凝胶电泳（GE）及电感耦合等离子质谱（ICP-MS）联用，建立了首个对金属结合蛋白具有高分离度和高覆盖率的LC-GE-ICP-MS系统，并从分子层面研究了银抑制大肠杆菌中重要蛋白酶的机制（PLoS Biol., 2019, 17, e3000292; Chem. Sci., 2019, 10, 7193; Chem. Sci., 2020, 11, 11714）。

图1. (a) 使用LC-GE-ICP-MS探索金黄葡萄球菌中的Ag+ 结合蛋白。(b) Ag+ 结合的6PGDH晶体结构。(c) 6PGDH中银配位点和由四个相邻的Ag+ 组成的银簇。(d) Ag+ 通过靶向多个重要途径杀死金黄葡萄球菌示意图。(e) 抗生素与Ag+ 合力对抗金黄葡萄球菌。(f) 抗生素与Ag+ 的联用在连续传代过程中不易产生抗药性。

此次工作将硝酸银杀灭金黄葡萄球菌的分子机理及基于机理拓展其抗菌应用作为研究重点，从革兰氏阳性菌S. aureus中分离鉴定了38个Ag+结合蛋白，结合生物信息学分析及系统的生物化学表征，在分子层面捕获了Ag+ 杀死S. aureus的动态作用过程，即Ag+ 先结合并抑制糖酵解途径中的多种关键酶，进而导致氧化戊糖磷酸通路（oxPPP）上调从而减轻Ag+ 毒性，但是随后Ag+ 结合并破坏该途径的多种酶，导致该通路的激活失效，Ag+ 继续功能性破坏ROS通路中的蛋白并引起ROS升高和细菌的死亡。6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶（6PGDH）是银靶向oxPPP通路的重要蛋白靶标，该团队解析了首个S. aureus的6PGDH晶体结构，并进一步得到了Ag配位的6PGDH结构，揭示了Ag在其催化和非催化位点均以准线性或三角几何跟Cys、His和Met等氨基酸配位。晶体结构和定点突变实验揭示了Ag+ 结合在活性位点的His185并使其催化口袋变形，以非竞争性方式抑制了6PGDH的酶活。Ag+ 的多靶点作用机制不仅使细菌不易对其产生耐药性，也赋予了它增强多种抗生素药效的特性。该团队进一步研究发现Ag+ 对 S. aureus 有持续的抗菌效果，超过16代连续培养也不会产生抗性，同时，Ag+ 可以敏化对抗生素有抗性的菌株MRSA，并能够有效抑制细菌耐药性的产生。该研究解决了S. aureus中Ag+靶标蛋白的重要问题，并为Ag+ 对S. aureus持续有效且S. aureus不易产生抗性提供了理论基础，为耐药菌感染的治疗提供了潜在方法。此外，该研究进一步从分子生物学及分子层面阐释了银的抗菌机制，为设计新型抗菌剂提供了重要的分子靶点和理论基础。

来源：X-MOL