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PNAS:抗真菌感染新策略:首次发现雷帕霉素靶蛋白TOR感知磷酸

来源:BioArt 2017-06-01 16:13

编者按:雷帕霉素靶蛋白TOR(Target of Rapamycin),是一种从酵母到哺乳动物高度保守的蛋白激酶。TOR是细胞感应外界营养水平进而调节生长和衰老的中心调控子。TOR被发现可以调控核糖体发生、翻译起始、代谢、应激反应、自噬等等信号通路。从酵母中的TOR到哺乳动物中的mTOR,之前的研究大都集中于氨基酸和葡萄糖对TOR活性的调控作用。5月31日,来自哈佛医学院 Julia R. K hler教授课题组在PNAS杂志在线发表了一篇为“Phosphate is the third nutrient monitored by TOR in Candida albicans and provides a target for fungal-specific indirect TOR inhibition”的非常有意思的重要研究,首次证实磷酸是TOR信号通路调控的第三种营养物质。该研究表明,除氨基酸和葡萄糖之外,细胞还可以通过磷酸转运蛋白感知磷酸浓度来调控TOR蛋白激酶的活性,以此来调控白念珠菌的细胞生长和形态发生,从而适应宿主环境的变化得以存活。此外,该研究还发现了一个新的抗真菌感染的药物靶点(Pho84),并且鉴定到了针对该靶点基因的两种特异性小分子化合物,将这两种小分子化合物与临床使用的抗真菌感染药物联合使用,可以极大的增强杀菌的协同作用。该论文第一作者为哈佛医学院/波士顿儿童医院博后,刘宁宁博士。



论文解读

白色念珠菌作为人体真菌微生物组的主要组成部分,是一种人体机会性致病菌,不仅可以造成表皮感染,而且可以引起严重的系统性感染。近年来,临床抗生素的滥用破坏了微生物组的稳态平衡,从而使得白色念珠菌具有了很强的生长优势和毒性,极大地危害人体的健康。同时,白色念珠菌还是造成口腔恶性肿瘤和肉芽肿瘤的关键因素,肿瘤患者由于细胞免疫功能降低、放化疗所致白细胞减少、广谱抗生素和激素的使用以及各种侵入性的治疗,极易发生院内真菌感染。

ReDO计划(即对药物进行重新定向的肿瘤研究计划)即国际抗癌科学家联合在一起进行的一项大型研究,致力于开发利用常见药物来作为新型的癌症疗法。他们的最新研究表明一种常见的抗白色念珠菌药物伊曲康唑可用于治疗癌症,尤其是非小细胞肺癌、前列腺癌及某些罕见的恶性肿瘤。另一方面,目前临床上使用的抗真菌药物毒副作用很大,而且由于真菌与人类同属真核生物,在基因组上同源,使得针对真菌感染的新型靶点和药物研发变得极其困难。 因此,对白色念珠菌致病机理的深入理解,可以增强我们对机体整个微生物组的认识,促进我们对个体的健康状况和患病情况进行客观正确的评估,对抗真菌感染药物的开发有很重要的意义。

因为发现于拉帕努伊岛而得名的雷帕霉素,在被发现之后的26年后,Joseph Heitman教授终于第一次发现了雷帕霉素靶蛋白TOR,这是一种从酵母到哺乳动物高度保守的蛋白激酶。TOR是细胞感应外界营养水平进而调节生长和衰老的中心调控子。TOR被发现可以调控核糖体发生、翻译起始、代谢、应激反应、自噬等等信号通路。

雷帕霉素靶蛋白TOR信号通路在调控白念珠菌形态发生和适应宿主细胞微环境方面具有重要作用。细胞吸收外界氮源和碳源进行细胞生长和增殖主要受TORC1复合物调控。

在该项研究中,研究人员通过大规模筛选发现质子磷酸共转运蛋白Pho84是维持TORC1正常活性所必需的。PHO84突变体对雷帕霉素极度敏感,并且可以下调核糖体蛋白S6的磷酸化水平。进一步的研究表明,Pho84调控TORC1复合体活性是特异性地通过小分子GTP酶Gtr1来完成的。但是在与白色念珠菌同源的酿酒酵母中,过表达Gtr1却不能抑制PHO84突变体对雷帕霉素的过度敏感表型,这表明白色念珠菌和酿酒酵母在TORC1调控磷酸稳态水平上可能有所不同。Pho84可以调控TORC1响应外界磷酸浓度,TORC1也可以反馈调控磷酸稳态调控子。

此外,PHO84突变体可以显着降低白念珠菌菌丝的生长,暗示了突变体的毒性可能有缺陷。值得一提的是,研究人员还发现了抑制Pho84蛋白的两种小分子抑制剂-PAA和foscarnet,foscarnet是美国FDA已经获批上市的抗病毒药物,这项工作发现了该药物的新功能,也就是所谓的老药新用。这两种小分子化合物可以极大地增强amphotericin B 和 micafungin的杀菌活性。

因此,该项研究发现了磷酸水平是受TORC1活性调控的,而且可以通过抑制Pho84来间接抑制TORC1的活性,这为现在的抗真菌药物的研发提供了新的策略,新的靶点和新的小分子化合物。

研究亮点:

1、发现了雷帕霉素靶蛋白激酶TOR感知的第三种营养物质—磷酸。细胞如何感知并吸收外界营养物质对于细胞的存活至关重要,该项研究表明,除氨基酸和葡萄糖之外,细胞还可以通过磷酸转运蛋白感知磷酸浓度来调控TOR蛋白激酶的活性,以此来调控白念珠菌的细胞生长和形态发生,从而适应宿主环境的变化得以存活。

2、发现了一个新的抗真菌感染的药物靶点(Pho84):该发现具有重要的意义,因为迄今为止所发现的对真菌有抑制作用的天然产物的所有靶点基因,还没有一种直接应用于抗真菌感染治疗,其中包括众所周知的蛋白TOR, Calcineurin和Hsp90。因为这些靶点基因在人体内有相应的同源蛋白,抑制该靶点基因的同时也会对人体产生毒副作用,但是该研究发现的靶点基因在人体内没有同源物,可以避免对人体产生毒副作用,因此可以作为良好的抗真菌药物的靶点。

3、发现了针对该靶点基因的两种特异性小分子化合物:该研究表明,这两种小分子化合物可以特异性地抑制该靶点基因的表达,其中一种是美国FDA已经批准的临床抗病毒药物foscarnet,我们发现了该药物的新用途和新机理。该两种药物对于真菌菌丝的生长均有良好的抑制效果。

4、将这两种小分子化合物与临床使用的抗真菌感染药物联合使用,可以极大的增强杀菌的协同作用。药物联用后,抗真菌感染的金标准药物“两性霉素B”的最低临床使用剂量可以降低十倍,极大地降低了“两性霉素B”对肾脏等器官的毒副作用,并且对真菌细胞的生长可以达到完全抑制。

参考文献:

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2.Loewith R & Hall MN (2011) Target of rapamycin (TOR) in nutrient signaling and growth control. Genetics 189(4):1177-1201.

3.Bastidas RJ, Heitman J, & Cardenas ME (2009) The protein kinase Tor1 regulates adhesin gene expression in Candida albicans. PLoS Pathogens 5(2):e1000294.

4.Chowdhury T & K?hler JR (2015) Ribosomal protein S6 phosphorylation is controlled by TOR and modulated by PKA in Candida albicans. Molecular Microbiology 98(2):384-402.

5.Wykoff DD & O'Shea EK (2001) Phosphate transport and sensing in Saccharomyces cerevisiae. Genetics 159(4):1491-1499.

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7.Cardenas ME, Cutler NS, Lorenz MC, Di Como CJ, & Heitman J (1999) The TOR signaling cascade regulates gene expression in response to nutrients. Genes & Development 13(24):3271-3279.

8.Crespo JL, Powers T, Fowler B, & Hall MN (2002) The TOR-controlled transcription activators GLN3, RTG1, and RTG3 are regulated in response to intracellular levels of glutamine. PNAS 99(10):6784-6789.

作者简介:

第一作者: 刘宁宁,博士毕业于上海生化所,师从周金秋教授。目前在哈佛医学院/波士顿儿童医院做博后。

通讯作者:Julia Koehler教授,师从著名的遗传学家Gerald R. Fink教授(酵母遗传学的先驱,美国科学院院士,美国艺术科学院院士,MIT-Whitehead创始人和前所长,AAAS前主席,美国遗传协会前主席)。长期从事环境营养和白念珠菌形态发生之间的相互关系。

原始出处:
Ning-Ning Liua, Peter R. Flanaganb, Jumei Zeng, et al. Phosphate is the third nutrient monitored by TOR in Candida albicans and provides a target for fungal-specific indirect TOR inhibition. PNAS doi: 10.1073/pnas.1617799114
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