基础医学院冯友军课题组Science Advances揭示抗ESKAPE感染的生物素代谢新靶点

大约37亿年前，原核生命形式——细菌就已登上了地球浩瀚历史的舞台。这些微小到肉眼难以察觉的生物遍布每一个角落，从时间的洪流到地球的每一个角落，它们自人类文明的曙光初现便与我们共生共存。这种关系不仅推动了人类文明的进步，而且随着当前科学技术的高度发展，我们对细菌的认识也在不断深化。然而，当前的探索仅仅是对细菌世界的不断发现与认知的开始。细菌种类纷繁且为数众多，代谢方式简单有效，极易生存，自地球生命之初便占据了主导地位。事实上，我们对细菌了解的越深入，愈发意识到人类对细菌世界认知的局限。生物素，作为这个复杂生态系统中的关键一环，对我们全面理解细菌世界具有不可估量的重要性。

生物素是一类水溶性B族维生素，通常是以蛋白翻译后修饰的形式参与生命体的中心代谢，在脂肪合成、糖质新生、天门冬胺酸等生化反应途径中扮演重要角色。与细菌自身进化出一整套生物素合成机制不同，高等生物（包括人在内）不具备生物素合成能力，只能通过食物摄入或依靠肠道共生微生物来提供。越来越多的研究表明，生物素代谢酶参与了病原菌感染过程，因此该代谢途径被视作一个潜在抗菌靶点。生物素合成的起始阶段在不同细菌谱系中复杂多样，亦表现出种系特异性。近年来，鲍曼不动杆菌与肺炎克雷伯氏菌在临床实践中耐药频发，世界卫生组织将其列为了亟需攻克的ESKAPE致病菌。这二类病原细菌皆依赖“BioC-BioH”途径合成“庚二酸单酰-ACP”前体分子。尽管甲基转移酶BioC的遗传学功能已明确多年，但对其生化机制的研究一直停滞不前。

2024年12月20日，浙江大学基础医学院冯友军课题组、复旦大学生命科学学院甘建华课题组以及武汉大学泰康医学院何正国课题组通力合作，在国际知名期刊《Science Advances》上发表题为 “A bacterial methyltransferase that initiates biotin synthesis, an attractive anti-ESKAPE druggable pathway” 的研究长文，首次阐明了鲍曼细菌BioC甲基转移酶的结构与功能机理，探明了生物素途径是ESKAPE病原菌粘菌素耐药形成的代谢基础，以期为抵御超级耐药菌感染的新型抗菌药物研发提供了新靶点/新思路。该研究成果是冯友军课题组在 “全健康” 理念下，探索“ESKAPE细菌感染与生物素代谢”方向的又一重要进展。事实上，该团队近年来生物素领域已有系列发现：1) α-变形细菌的BioZ生物素通路 (Nat Commun, 2021)；2) 耐药分枝杆菌生物素途径的独特 “BioC-BioH” 起始步骤 (PLoS Pathog, 2022)；3) 碳青霉烯耐药铜绿假单胞菌的生物素途径新靶点 (PLoS Pathog, 2023)。

作为ESKAPE的重要成员，鲍曼不动杆菌对临床治疗构成了巨大的挑战。通过表达性克隆筛选，冯友军课题组成功从鲍曼不动杆菌中鉴定了甲基转移酶BioC。生理生化实验表明，鲍曼不动杆菌BioC既能回补大肠杆菌ΔbioC突变体，又能回补鲍曼不动杆菌ΔbioC突变体 (图1)，显示出其在细菌生长中的关键作用。为深入理解BioC的结构和催化机制，团队解析了BioC与底物SAM所形成复合物的晶体结构 (图2)。基于BioC与SAM的结构信息，构建了一系列BioC突变体，并且通过细菌生长和体外生物素重建实验，揭示了BioC甲基化酶与底物分子SAM的精细互作 (图2)。此外，该研究亦获得了BioC与抑制剂sinefungin (SIN)复合物的高分辨结构，并观测到SIN占据了SAM底物结合口袋 (图3)。为了评估SIN抑制剂的活力，研究人员通过体外生物素重建实验定量了SIN的抑制常数，发现SIN能竞争结合BioC的底物结合口袋进而抑制BioC的活性，且其抑制常数Ki仅约为0.37 μM (图3)。综上所述，这些发现不仅阐明了BioC抑制剂SIN发挥功效的生化机理，亦为靶向BioC的新型抗菌药物的研发提供了坚实的理论基础。

至关重要的是，研究人员还发现生物素合成的BioC起始步骤在ESKAPE病原菌的MCR粘菌素耐药性形成和感染致病中扮演着关键角色。杀菌实验表明，当BioC除后，携带MCR-1的肺炎克雷伯氏菌和鲍曼不动杆菌对多粘菌素的敏感性显著恢复 (图4)。基于此，研究人员提出了一个创新的假说，即“阻断生物素BioC起始步骤能够严重破坏细菌的脂肪酸合成，进而影响类脂A合成和粘菌素耐药形成”(图4)。进一步的小鼠感染模型数据支持了这一假说，显示细菌BioC的缺失显著降低了其毒力。同时，小鼠肝脏组织切片染色分析也证实了这一点：感染野生型菌株会导致小鼠产生严重的肝脓肿，而BioC敲除菌株所感染小鼠的肝组织无明显病变 (图5)。上述发现表明，靶向BioC既可削弱细菌的耐药性，又可降低其致病性，这一突破性的发现为研发新型抗菌药物提供了“一石二鸟”的新思路。

冯友军课题组长期聚焦“细菌脂代谢与耐药/致病性的机制”研究，发表重要研究论文100余篇，累计引用12000余次(h-index: 54)。该研究工作先后获得了国家自然科学基金委的耐药重点专项(32141001)、重点项目(31830001)、杰青项目(32125003)等项目的联合资助。课题组客座研究生粟智同学 (广西大学)与复旦大学研究生张威振系该研究论文的共同第一作者。浙江大学医学院冯友军教授、复旦大学生命科学学院甘建华教授和武汉大学何正国教授担任该研究论文的共同通讯作者。