在篩選一種可阻斷細菌生物合成通路的化合物時，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種抗生素先導物，它以調(diào)控RNA結(jié)構(gòu)中的分子交換位點為靶標，使病原體停止生長。
1940-1960年是發(fā)現(xiàn)抗生素的黃金時代，而Selman Waksman的研究則宣告了這一時代的到來。這位生物化學家兼微生物學家創(chuàng)造了“antibiotic（抗生素）"這個術語，并利用系統(tǒng)篩選來發(fā)現(xiàn)抗生素的先導物。在Waksman等人的努力下，他的實驗室制備出了20多種天然抗生素，其中zui為的就是1943年發(fā)現(xiàn)的*——治療肺結(jié)核的*種藥。這項發(fā)現(xiàn)為Waksman贏得了1952年的諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。隨之，他的研究受到了美國制藥公司默克（Merck）旗下科學家們的關注，他們之間的合作促使*在臨床應用上得到了發(fā)展。巧的是，zui近，來自現(xiàn)默克公司研究實驗室的Howe等人闡述了一種新的抗生素先導物，也是用Waksman引入的表型篩選法（只不過進行了精密改良）識別出來的。
在Waksman的研究完成7年之后，原本如潮水般涌現(xiàn)而出的天然抗生素已縮減為涓涓細流。同時，盡管現(xiàn)有的抗生素面臨著不斷攀升的耐藥狀況，從而導致臨床急需新的藥品，但由于各種原因，僅有很少的公司仍活躍在抗生素藥物發(fā)現(xiàn)的領域。在這種背景下，Howe等人卻出人意表地發(fā)現(xiàn)了可靶標于細菌非編碼RNA（ncRNA）的藥物，這可是備受歡迎的喜事！通過阻斷代謝通路來確證一種抗生素的存在。a. 當周圍環(huán)境的核黃素無法利用時，細菌會用一條代謝通路合成核黃素——一種參與多種酶反應的分子。Howe等人通過加入核黃素（可減弱化合物的抗菌作用）來進行識別，從而找出該通路的抑制劑。b. 篩選發(fā)現(xiàn)了可選擇性抑制核黃素生物合成的合成分子ribocil。據(jù)作者報道，ribocil與信使RNA（編碼參與核黃素合成的合酶）非編碼區(qū)域的“核糖開關"調(diào)控域結(jié)合。核糖開關通常與黃素單核苷酸（FMN，核黃素代謝產(chǎn)物）結(jié)合；這種結(jié)合誘發(fā)核糖開關發(fā)生結(jié)構(gòu)性改變，阻止合酶的表達，從而在FMN足可利用時，阻斷進一步的核黃素合成。c. Ribocil分子盡管與FMN的結(jié)構(gòu)*不同，但也能與該位點結(jié)合，以“欺騙"開關的方式關閉核黃素的生成，從而使細菌喪失基本的代謝產(chǎn)物。
那么什么是表型篩選呢？它包括將測試化合物置于細菌培養(yǎng)皿中，觀察細胞特性（表型）的變化。自Waksman時代以來，zui簡單的抗生素活性表型篩選一直在追求生長抑制——畢竟細胞死亡是zui嚴重的表型，并能夠迅速測定。而Howe等人建立了一種更為靈敏的篩選方法，嚴密推敲單個細菌的新陳代謝途徑。細菌不像人類，它能合成代謝產(chǎn)物核黃素（亦被稱為*2），該物質(zhì)是多種酶反應所需要的輔助因子前體。而這些輔助因子之中，zui重要的就是黃素單核苷酸（FMN）。參與核黃素生物合成的基因僅在細菌無法從周圍環(huán)境獲得維生素時，才凸顯出其必要性。因此，研究者猜想，如果在細菌培養(yǎng)基中加入核黃素（參與抑制核黃素生物合成途徑），那么具有生長抑制效應的抗生素化合物作用就可能受到逆轉(zhuǎn)。于是，他們測試了大約57000個合成小分子，結(jié)果確認：一種名為ribocil的分子可通過選擇性阻斷核黃素生物合成的方式來殺滅細菌。
為了證實ribocil分子的作用機制，Howe等人利用經(jīng)化合物處理過的細菌（使之*耗盡核黃素）進行闡述。他們以感染病原菌的小鼠作為研究對象，進行ribocil分子治療，結(jié)果細菌濃度降低了1000多倍，這是一個很有希望的開端。于是，研究小組繼續(xù)確證ribocil的分子靶標，他們將*暴露于ribocil（亞致死量濃度下）、已產(chǎn)生耐藥性的克隆菌株分離出來，進行基因組測序。人們發(fā)現(xiàn)，在細菌基因組的非編碼鏈中存在潛在的變異，導致耐藥細菌出現(xiàn)。于是，開始似乎只是常規(guī)性的工作馬上就變?yōu)橐患钊伺d奮的事情。這表明，ribocil并非抑制某個蛋白質(zhì)靶標，而是阻斷了基因調(diào)控的途徑。接著，研究者們進一步偵查ribocil的攻擊位點，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在序列的前部有一個高度結(jié)構(gòu)化的ncRNA域，可在核黃素生物合成途徑中編碼關鍵合酶的信使RNA上標記翻譯的起始位點。
結(jié)果表明，ribocil所結(jié)合的ncRNA域通常與FMN結(jié)合，其位點就是“核糖開關"（riboswitch）——當與配體結(jié)合時，其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的RNA域（圖1b）。當它與FMN結(jié)合時，可誘騙核糖開關RNA變成阻止轉(zhuǎn)錄和翻譯進行的構(gòu)型，從而阻斷合酶的表達。該機制為減少細菌進一步產(chǎn)生核黃素提供了一條途徑，因而，F(xiàn)MN在輔助因子足夠量的情況下是有效的。而Ribocil正是與同一ncRNA靶標相結(jié)合，才能“欺騙"核糖開關發(fā)生應答，從而關閉核黃素的合成，使細菌喪失zui基本的代謝產(chǎn)物。為了找到一個強有力的證據(jù)，研究者用X射線晶體照相術為ribocil分子拍了一張快照，顯示其與核糖開關RNA結(jié)合的作用。這種結(jié)構(gòu)性信息對于改進具有臨床應用潛力的ribocil分子衍生物的抗菌活性很有價值。
不過，這種模仿核糖開關天然配體的機制在其它任一抗菌化合物中均未發(fā)現(xiàn)。因此，研究只是總結(jié)性地闡述了表型篩選的優(yōu)勢，即促使一條通路的所有組成部分——包括蛋白質(zhì)與核酸——都在公平的方法下同時進行測試。盡管核糖開關明顯是抗生素發(fā)現(xiàn)的靶標，但Howe等人證實了有一種能與核糖開關結(jié)合的分子存在，且并不是與代謝產(chǎn)物配體十分類似的結(jié)構(gòu)。這緩解了ribocil在其它通路（包括核黃素和FMN）缺乏關閉目標效應的囧況（已在作者的觀察中有所提示：即便是高劑量的化合物也對小鼠沒有毒性作用）。
從更廣闊的視角來看，Howe等人的研究令人矚目地闡述了ncRNA中的結(jié)構(gòu)域可能是合成藥物的靶標。而此前只有很少有關ncRNA部分可用作潛在藥物靶標的例證，其中一個可被稱為“域"的例證是丙肝病毒，可與合成的病毒蛋白合成抑制劑相結(jié)合。不過，其實許多天然抗生素是通過靶標細菌核糖體（合成蛋白質(zhì)的細胞器）的ncRNA部分來干擾蛋白質(zhì)合成，進而起效的。
樂觀的研究者猜測，自然通過靶標核糖體中的ncRNA來起到某種重要作用，因而可能會認為，目前在細菌以及更為復雜的微生物的基因組中發(fā)現(xiàn)過多的ncRNA，這將會為治療性干預提供豐富的靶標。而對于持懷疑態(tài)度的人們，Howe等人的工作也可能減少他們對以ncRNA部分作為靶標是否可能助生新藥的懷疑。我們希望，亟需替代性抗生素的臨床醫(yī)師將會成為*享受到新興藥物靶標——RNA——好處的受益者。(生物谷Bioon.com)
