Cell：新研究揭示结核杆菌的脆弱性基因和非脆弱性基因

2021年7月26日讯/生物谷BIOON/---开发防治结核病的药物可能是一件令人沮丧的事情。一旦发现对细菌的生命周期至关重要的基因，科学家们急于开发抑制该靶标的药物，然后是失望。一系列靶向必需基因靶标的化合物对结核杆菌的生长几乎没有影响。这种细菌继续生存。科学家们又回到了原点。

如今，一项新的研究有助于解释为何基于靶标的抗生素在起步阶段遇到如此多的麻烦。一个答案是，必需基因靶标在对抗生素的脆弱程度上有所不同。来自美国洛克菲勒大学和威尔康乃尔医学院的研究人员发现，理想的靶标是如此容易受到攻击，以至于当它被轻微抑制时，细胞就无法生存。另一方面，非脆弱性基因（invulnerable gene）可以经受住几乎完全的抑制，在遭受抗生素的攻击时也能勉强维持足够的靶标活性而使细胞存活。此外，这些作者首次对病原体的脆弱性进行了量化，产生了一个指数，用于根据使基因失效并使细胞瘫痪所需的抑制量对结核杆菌中的几乎每一个必需基因进行排名。相关研究结果于2021年7月22日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“Genome-wide gene expression tuning reveals diverse vulnerabilities of M. tuberculosis”。

论文共同通讯作者、宿主-病原体生物学实验室负责人Jeremy Rock说，“基于靶标的药物发现的失败往往归因于化合物的问题，比如它无法穿过细菌包膜。这是硬币的另一面。如果你选择了一个高度脆弱的基因靶标，你就没有为自己的成功做好准备。”

必需的，但不是脆弱的

新的抗菌药物通常来自广泛的筛选试验。科学家们将化合物文库倾倒在实验室里培养的细菌上，看看哪些化合物能阻止细菌进一步生长。这是一种快速和非常有效的方法--每一种被批准用于治疗结核病的药物都是以这种方式发现的。

一种不那么有名的方法涉及识别细菌不能没有的必需基因，然后开发抑制这些基因靶标的化合物。这种方法被称为基于靶标的药物发现，它已经为人们提供了许多有效的抗癌药物和抗病毒药物。但是，到目前为止，它还没有在抗生素方面取得成果。Rock和他的团队想知道其中的原因。

传统的智慧认为，这些化合物在途中丢失了。被细胞壁阻挡，在进入时被泵出，或在内部被代谢。也许是这样。这些当然是候选抗生素所面临的问题。但Rock猜测，药物开发者有时也会选择错误的靶标。因为仅仅确定细菌不能没有的必需基因是不够的。一种好的基因靶标还应该是脆弱的。

脆弱性基因（vulnerable gene）在压力下会屈服---即使稍微阻碍它的表达，也会使该基因下线并使细菌瘫痪。然而，非脆弱性基因可以承受相当大的打击，但仍能完成其重要的工作。鉴于大多数药物只抑制其靶标的一部分，失败的抗生素可能会找到它们的靶标，但却被非脆弱性基因弹开。

图片来自Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.06.033。

Rock说，“如果一个基因靶标是非常脆弱的，需要99%的抑制才能杀死细菌，那么你就需要用一种可以做一些特别事情的小分子来靶向它，比如抑制该基因99%的表达产物。这不是不可能的，但是，如果你有600个必需基因可供选择，你不想选择那个基因作为你的靶标。”

脆弱性指数

Rock和他的团队决定对结核杆菌的基因脆弱性进行量化，这种病原体每年夺走140万人的生命。他们开发了一种基于CRISPR干扰（CRISPRi）的功能性基因组学方法，一次性查看这种病原体的整个基因组，并根据为了杀死这种细菌每个必需基因需要被抑制的程度对其进行排名。

论文共同第一作者、Rock实验室医生科学家Barbara Bosch说，“我们开发了一种可以调整的系统，从没有抑制到几乎100%的抑制。这使我们能够确定这种细菌是否有严重的适应度成本（fitness cost），或者它们是否仍然活着和活跃。”

由此产生的脆弱性指数，将抑制百分比与细菌的适应度联系起来，表明脆弱性是决定抗生素是否成功的一个关键因素。例如，两个最脆弱的基因恰好也是市场上两种最强效的抗结核病药物的靶标。相反，两个最不脆弱的基因，即coaA和def，曾经是很有希望的药物靶标，但是靶向这些基因的抗生素却未能杀死这种细菌。这些靶标的非脆弱性可能是这些药物失败的一个原因。

这种脆弱性指数还确定了几个新的靶标，这些靶标是必需的，高度脆弱的，而且是药物开发商尚未探索的。其中的一些靶标甚至比目前的一线抗结核病药物更脆弱，并令人吃惊地影响着细胞中的各种活动。

Rock说，“我们预计参与中心法则的基因是脆弱性的---为了重现，你需要能够将DNA变成RNA再变成蛋白质。但是一些最脆弱的基因参与了蛋白质的折叠和分泌。我们不一定会预测到这一点。这些是未被充分探索的靶标，值得在未来进行探索。”

关于脆弱性和药物可靶向性（druggability）

在未来的研究中，Rock和他的团队希望在感染了活的有机体的结核杆菌上测试他们的脆弱性指数；他们目前的脆弱性指数只基于这种细菌在培养皿中对抑制的反应。Rock说，“下一个重要步骤是调查脆弱性在宿主-病原体关系的背景下如何变化。体内研究将使我们对脆弱性有一个更完整的了解。”

然而，鉴于来自实验室的结果与临床观察相吻合，这些初步的发现很可能是有意义的。也就是说，有效的抗结核病药物通过让那些在脆弱性指数上排名较高的基因失效来发挥作用，而那些令科学家困惑的非脆弱性靶标则排名最低。结果是，即使是现在，药物开发者也可能从咨询脆弱性指数中受益，在投资基于靶标的药物开发时，优先考虑脆弱性基因。

Rock说，“我们不想把非脆弱性等同于非药物可靶向性（undruggability）---那将是不公平的。但前进的道路是开始优先考虑脆弱性靶标而不是非脆弱性靶标。如果你想对付一个非脆弱性靶标，这将是一场艰苦的战斗。”（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Barbara Bosch et al. Genome-wide gene expression tuning reveals diverse vulnerabilities of M. tuberculosis. Cell, 2021, doi:10.1016/j.cell.2021.06.033.