寻找结核病最脆弱的基因

开发药物来对抗结核病或 TB，可能会令人沮丧。一个对细菌生命周期至关重要的基因被发现，科学家们急于开发抑制目标的药物，然后——失望。向基本基因靶标投掷的大量化合物对微生物生长几乎没有影响。细菌继续存在。科学家们回到绘图板。

现在，Cell 上的一项新研究有助于解释为什么基于目标的抗生素在起步时遇到了这么多麻烦。一个答案是，基本基因靶标对抗生素的脆弱程度不同。研究人员发现，一个理想的目标非常容易受到攻击，以至于即使受到轻微抑制，细胞也无法生存。另一方面，无懈可击的基因可以经受住几乎完全的抑制，在受到抗生素困扰的情况下勉强维持足够的目标活性以保持细胞存活。此外，作者首次量化了病原体的脆弱性，产生了一个指数，该指数根据使基因失效和细胞瘫痪所需的抑制量对结核分枝杆菌中的几乎每个必需基因进行排序。

洛克菲勒大学宿主病原体生物学实验室负责人杰里米洛克说：“基于目标的药物发现的失败通常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。如果你选择一个高度无懈可击的基因目标，你只是没有为成功做好准备。”

必不可少，但不脆弱

新的抗菌药物通常来自广泛的筛选试验。研究人员将化合物库倾倒到实验室中的细菌上，看看哪些会阻止进一步生长。它快速、肮脏且非常有效——每一种被批准用于治疗结核病的药物都是以这种方式被发现的。

一种不太出名的方法是识别细菌离不开的必需基因，然后开发抑制这些目标的化合物。这种方法被称为基于目标的药物发现，为我们提供了许多有效的抗癌和抗病毒药物。但是，迄今为止，它还没有针对抗生素进行筛选。洛克和他的团队想知道为什么不。

传统观点认为这些化合物会在途中丢失。被细胞壁阻塞，进入时被泵出，或在细胞内代谢。可能。这些肯定是抗生素希望所面临的问题。但洛克怀疑药物开发商有时也会选择错误的目标。因为仅仅确定一个细菌离不开的必需基因是不够的。一个好的目标也应该是脆弱的。

一个脆弱的基因在压力下弯曲——即使稍微阻碍它的表达也会使基因脱机并使细菌瘫痪。然而，无懈可击的基因可能会受到很大打击，但仍能完成其基本工作。鉴于大多数药物仅抑制部分靶标，失败的抗生素可能会发现它们的标记，只是为了从一个无懈可击的基因反弹。

“如果一个目标是高度无懈可击的，并且需要 99% 的抑制才能杀死细菌，那么你将需要用一种可以做一些特殊事情的小分子来靶向它，比如抑制 99% 的基因产物，”Rock说。“这并非不可能，但是，如果你有 600 种基本基因可供选择，你不会想选择那个作为你的目标。”

脆弱性指数

Rock 和他的团队决定量化结核分枝杆菌的基因脆弱性，这种病原体每年夺走 140 万人的生命。他们开发了一种技术，可以立即查看病原体的整个基因组，并根据需要抑制多少基因才能杀死细菌对每个必需基因进行排序。

“我们开发了一个可以调整的系统，从无抑制到接近 100% 的抑制，”Rock 实验室的医生科学家 Barbara Bosch 说。“这使我们能够确定细菌是否具有严重的健康成本，或者它们是否还活着并在踢。”

由此产生的指数将抑制百分比与细菌适应性联系起来，表明脆弱性是决定抗生素是否成功的关键因素。例如，两个最脆弱的基因恰好也是市场上两种最有效的抗结核药物的靶点。相反，在专门用于抑制这些基因的抗生素未能杀死细菌之前，两个最不脆弱的基因 coaA 和 def 曾经是有希望的药物靶点。这些目标的无懈可击可能是这些疗法失败的原因之一。

该指数还确定了几个重要的、高度脆弱的、尚未被药物开发人员探索的新目标。其中一些目标甚至比目前的一线结核病治疗更脆弱，并影响细胞中令人惊讶的多样化活动。

“我们预计参与中心法则的基因会很脆弱——要复制，你需要能够将 DNA 转化为 RNA，再转化为蛋白质，”洛克说。“但是一些最脆弱的基因参与了蛋白质折叠和分泌。我们不一定会预测到这一点。”

“这些是未充分探索的目标，未来值得探索。”

关于脆弱性和成药性

在未来的研究中，洛克和他的团队希望测试他们对感染生物体的结核病指数;他们目前的指数完全基于结核病对培养皿中抑制作用的反应。“下一步是研究脆弱性在宿主-病原体关系的背景下如何变化，”洛克说。“体内研究将使我们更全面地了解脆弱性。”

然而，鉴于实验室的结果与临床观察相符，初步发现可能站得住脚。也就是说，有效的结核病药物通过禁用在脆弱性指数中排名靠前的基因而发挥作用，而使科学家感到困惑的顽固目标排名最低。结果是，即使是现在，药物开发商也可能会从查阅脆弱性指数中受益，在投资于基于目标的药物发现时优先考虑脆弱基因。

“我们不想将刀枪不入等同于不可抗力——那是不公平的，”洛克说。“但前进的道路是开始优先考虑易受攻击的目标而不是无懈可击的目标。”

“如果你想对付一个无懈可击的目标，那将是一场艰苦的战斗。”