以FtsZ蛋白为靶点的抗菌天然产物的研究进展

马思提，魏国栋，刘　慧，何方正

(山东中医药高等专科学校，山东烟台250019)

以FtsZ蛋白为靶点的抗菌天然产物的研究进展

马思提，魏国栋，刘慧，何方正

(山东中医药高等专科学校，山东烟台250019)

摘要:抗生素的滥用导致世界范围内细菌耐药性的出现和流行。许多临床上本来起作用的抗生素失效，这为细菌感染性疾病的治疗带来了巨大困难。近年来研究发现，细菌细胞分裂蛋白细丝温度敏感蛋白Z(FtsZ)在细胞分裂中发挥着重要的作用，它被认为是一个非常有潜力的抗菌药物靶点。已经发现，一些抗菌天然产物作用于该靶点。本文主要阐述FtsZ蛋白的结构和功能，以及一些以细丝温度敏感蛋白Z蛋白为靶点的抗菌天然产物的研究进展，以期为研发新型抗菌药物提供基础。

近年来，因长期过度使用抗菌药物，细菌耐药性问题日益突出。新型抗菌药物的研发已成为当今新药开发领域中的研究热点。研究发现，细菌细胞分裂蛋白细丝温度敏感蛋白Z(FtsZ)在细胞分裂中发挥重要作用，被认为是一个非常有潜力的抗菌药物靶点［1］。越来越多的研究集中于发现作用于该靶点的抗菌化合物。

1　FtsZ蛋白的结构和功能

FtsZ是由ftsZ基因编码的一种重要的细菌细胞分裂蛋白，它的全称为细丝温度敏感蛋白Z(filamentous temperature －sensitive protein Z，FtsZ)。它几乎存在于所有的真细菌、古细菌和叶绿体里。1991年FtsZ蛋白被发现是在细菌细胞分裂时第一个到达细胞中间装配成一个Z环并促使细胞完成分裂的蛋白质。基于FtsZ蛋白在细胞分裂方面发挥的不可或缺的作用，能够干扰FtsZ功能的化合物被引起关注［2］。研究发现，一些常见的抗菌植物中的有效成分都可以通过干扰此蛋白的正常生理功能而发挥抗菌作用，如姜黄素等，这些化合物被认为是研发抗耐药菌非常有潜力的先导化合物。此综述主要报道这些以FtsZ为靶点的抗菌天然产物的研究情况。

FtsZ蛋白的结构是在1998年通过多重同晶置换等方法确认的。它具有与真核细胞微管蛋白类似的结构，被认为是微管蛋白的类似物。FtsZ蛋白有一个和鸟苷三磷酸(GTP)有关的N端区域和一个具有类似微管T7环的C端区域。这两个末端区域以类似于微管蛋白的末端区域联系的方式通过一个α－螺旋联系在一起，如图1所示［3］。而且，FtsZ蛋白的折叠方式也和微管蛋白的相同。此外，FtsZ蛋白的氨基酸序列的一小部分GGGTGTG几乎和微管蛋白的G/AGG TGSG完全相同。但事实上，虽然FtsZ蛋白是微管蛋白的类似物，FtsZ蛋白和微管蛋白之间也还存在很多差异。例如，FtsZ蛋白是由一种类型的亚基组成，而微管蛋白却是由不同类型的亚基(α－和β－亚基)组成; FtsZ亚基是在GTP存在的情况下聚合成直的宽5 nm的原丝，然后横向联系，随着GTP的水解，直的原丝形成弯曲的构象，而微管蛋白的原丝是通过纵向联系而形成一个弧形的二聚体［4］。已有实验证明，一些化合物的作用靶点只针对FtsZ蛋白，而对真核细胞的微管蛋白无作用。

细胞分裂时，FtsZ蛋白是第一个到达细胞中央分裂位点的细胞分裂蛋白。紧接着，在GTP的存在下，FtsZ蛋白聚合装配成Z环。Z环作为一个骨架来招募其他至少12种细胞分裂蛋白共同形成一个分裂复合体，这个分裂复合体能够引起细胞膜的收缩［5］。最终，一个隔膜在细胞中间形成，紧接着，通过水解细菌细胞中间隔膜里的肽聚糖使得两个新生的细胞分开。当FtsZ蛋白的装配不能正常进行，Z环的形成也会消失。即使DNA复制和拟核分离功能正常，细菌细胞也只能伸长或增大而不能正常的分裂，最后导致细胞的凋亡。因此，开发以FtsZ蛋白为靶点的抗菌药物是一个非常有前途的研究方向。

图1　FtsZ蛋白的结构示意图

2　抗菌天然产物

2.1绿垂毒素绿垂毒素(Viriditoxin)是通过FtsZ蛋白的荧光聚合实验从100 000多种微生物发酵液和植物的提取物中筛选出来的一种以FtsZ蛋白为靶点的抗菌天然产物。绿垂毒素显示了广谱的抗菌活性，包括与临床有关的革兰阳性致病菌。它对多种类型的甲氧西林敏感金黄色葡萄球菌(MSSA)和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)的最小抑菌浓度(MIC)均在4～8 μg·mL－1之间，对万古霉素敏感的乳酸菌(VSE)和万古霉素耐药的乳酸菌(VRE)的MIC在2～16 μg·mL－1之间。研究发现，它可以阻碍FtsZ蛋白的聚合(半数抑制浓度IC50值为8.2 μg·mL－1)，也可以抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性(IC50值为7.0 μg·mL－1)，然而它不影响真核细胞的生存能力。目前，(－)－Viriditoxin已经通过合成的方法获得，这有利于以绿垂毒素为先导化合物，进行结构修饰［6］，开发新的抗菌药物，对抗细菌耐药性问题。

图2　绿垂毒素

2.2肉桂醛肉桂醛(Cinnamaldehyde)是一种从香料肉桂(Cinnamomum cassia)中提取出来的能够抑制蜡状芽孢杆菌细胞分裂的天然产物，其结构式见图3。细胞的体外实验发现肉桂醛能够减少FtsZ蛋白的装配反应和捆扎。细胞的体内实验发现它能够破坏细胞内Z环的正常形态。肉桂醛抑制FtsZ蛋白聚合的IC50为6.86 μmol·L－1，抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性的IC50为5.81 μmol·L－1。肉桂醛的作用靶点是在FtsZ蛋白的C端区域中的T7环上。它的抗菌活性较差，如抗大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的MIC值分别为1 000 μg·mL－1和500 μg·mL－1，而且肉桂醛本身的结构不稳定，很容易氧化变质［7］。由此可见，肉桂醛本身是无法作为抗菌药物使用的。

图3　肉桂醛

2.3血根碱血根碱(Sanguinarine)是一种从血根草(Sanguinaria canadensis)的根茎中提取出来的一种苯菲啶类生物碱，其结构式见图4。它能够强烈地诱导革兰阳性和革兰阴性细菌产生丝化现象，也就是通过抑制胞质分裂来阻止细菌的细胞分裂而不扰乱细菌的膜结构。血根碱抑制胞质分裂是通过抑制细胞动力学Z环的形成而不影响拟核的分配。在体外它能够抑制FtsZ蛋白的装配，减少FtsZ蛋白的原丝捆扎。它对革兰阳性和革兰阴性菌均有抗菌活性，抗枯草芽孢杆菌和野生型大肠杆菌的IC50值分别为1.0 μg·mL－1和4.6 μg·mL－1。但是，它也被发现对真核细胞的微管也有一定的抑制作用，所以在发展血根碱为抗菌药物存在一个潜在的缺陷，即对人体可能会产生较大的副作用［8］，但仍可以它为先导化合物设计合成新的抗菌活性增强和副作用降低的衍生物。

图4　血根碱

2.4桃陀酚桃陀酚(Totarol)是一种从桃陀罗汉松(Podocarpus totara)中提取的二萜酚类化合物，它能够抑制包括结核分枝杆菌在内的若干种致病的革兰阳性菌的增殖，其结构式见图5。它不会扰乱枯草芽孢杆菌的细胞膜结构，而是通过抑制枯草芽孢杆菌的胞质分裂而诱导其形成细丝。它阻止胞质分裂也是通过抑制Z环的形成而不影响拟核的正常生理功能。桃陀酚能够减少体外的结核分枝杆菌FtsZ蛋白的装配，并且能够强烈地抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性。它也被证实能够扰乱Z环里的FtsZ蛋白的原丝装配动力学，抑制枯草芽孢杆菌的MIC值为2 μmol·L－1［9］，但是对肿瘤细胞的微管蛋白没有影响。目前，它已经可以通过化学的方法合成，因此可以相对廉价地大量获得。这些表明桃陀酚或许是一个很好的用来发展抗结核药物的先导化合物。桃陀酚的许多衍生物已经被合成，对桃陀酚分子中的B环和C环进行结构修饰没有发现其抗菌活性增强，而具有吲哚结构的A环类似物却表现出了比天然产物增强的抗菌活性［10］，但是初步的实验研究表明吲哚类似物不以FtsZ蛋白为靶点。

图5　桃陀酚

2.5双矮紫玉盘素双矮紫玉盘素(Dichamanetin)和它的类似物2″'－羟基－5″－苄基－isouvarinol－B分别是从Uvaria chamae和Xylopia africana中获得的［11］，其结构式见图6。它们抑制FtsZ蛋白的GTP酶活性的IC50分别达到了5.9 μg·mL－1和5.7 μg·mL－1。它们抗革兰阳性菌的活性与临床有关的抗生素相似。构效关系表明分子结构中的黄烷酮部分在阻碍FtsZ蛋白的GTP酶活性方面发挥了重要的作用。另外，多酚结构和抗GTP酶活性之间也可能存在一定的联系。

图6　双矮紫玉盘素

2.6姜黄素姜黄素(Curcumin)是从姜黄(Curcuma longa)中发现的一种可食用的多酚类物质，其结构式见图7。它具有广谱的抗菌活性，对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和乳酸菌等都具有抑制活性。它对枯草芽孢杆菌的IC50和MIC值分别为17 μmol·L－1和100 μmol·L－1，对大肠杆菌的IC50和MIC值分别为58 μmol·L－1和100 μmol·L－1。由此可见，它的抗菌活性较弱，这可能是因为它的生物利用度较差。它能够诱导枯草芽孢杆菌形成细丝，抑制细菌细胞内动态Z环的形成而不影响拟核的分离。电子显微分析表明姜黄素在体外能够减少FtsZ蛋白的原丝捆扎，也能扰乱FtsZ蛋白的二级结构。同时，它还能够增强FtsZ蛋白的GTP酶活性，导致FtsZ蛋白聚合物变得极度不稳定。总之，姜黄素抑制细菌细胞增殖主要是通过抑制Z环里的FtsZ蛋白的装配动力学。Kaur等［12］分别研究了姜黄素与枯草芽孢杆菌和大肠杆菌的FtsZ蛋白的结合模式，结果发现它结合在和鸟嘌呤核苷酸(guanine nucleotide)相同的结合位点处。因此如果想以姜黄素为先导化合物来设计抗菌药物，则必须通过结构修饰来克服生物利用度低和抑制微管活性的这两点缺陷。

图7　姜黄素

2.7黄连素黄连素(Berberine)是一种天然的植物生物碱，其结构色式见图8。含有黄连素的植物已经被用于许多微生物感染性疾病的治疗，例如腹泻、伤寒、胃肠炎和沙眼中。黄连素具有广谱的抗菌活性，几乎对所有的微生物都有抑制活性，包括细菌、病毒、原虫、蠕虫和真菌等。其中，抗革兰阳性菌的活性最好，例如，它抗大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌的MIC值都大于400 μg·mL－1，而它抗枯草芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的MIC值为100 μg·mL－1，另外，它抗临床分离的MRSA和幽门螺旋杆菌的MIC分别为32～128 μg·mL－1和12.5 μg·mL－1。Domadia等［13］发现黄连素能够抑制FtsZ蛋白的聚合和GTP酶活性。但是黄连素对哺乳动物的微管蛋白没有影响。饱和转移差谱核磁共振(STD－NMR)的波谱数据表明黄连素的二甲氧基、异喹啉结构和苯并二氧五环结构与FtsZ蛋白的靶点结合。分子对接模型显示该化合物和FtsZ蛋白的结合位点在GTP的结合口袋处，这与STDNMR波谱数据的结果一致。由此可见，黄连素是一个比较有前途的用于研发以FtsZ蛋白为靶点的抗菌药物的先导化合物。

图8　黄连素

2.8紫杉烷类紫杉烷类(Taxanes)被分为高毒的稳定微管的紫杉醇及其衍生物和无毒的紫杉烷类多重耐药逆转剂，其结构式见图9。Huang等［14］筛选了120个紫杉烷类化合物，其中许多具有显著的抗结核分枝杆菌活性。随后通过对紫杉烷类多重耐药逆转剂进行合理的结构优化发现它们都能够显著地抑制敏感和耐药的结核分枝杆菌的增殖。实验表明它们能够稳定结核分枝杆菌的FtsZ蛋白的原丝，这和紫杉醇作为抗癌药促进微管蛋白装配和微管稳定的机制类似。它们显示了极好的抗菌活性，抗敏感和耐药的结核分枝杆菌的MIC值均在1.25～2.50 μmol·L－1之间。然而，对于此类FtsZ抑制剂抗FtsZ蛋白的GTP酶活性的作用机制，还有待进一步研究。

图9　紫杉烷类

以上为以FtsZ蛋白为靶点的天然产物的研究进展，除此之外，还有一些全合成的抗菌活性强的FtsZ抑制剂也被陆续报道［15］。相信随着人们对FtsZ蛋白以及天然和合成的FtsZ抑制剂研究的不断深入，可能会有更强的抗耐药菌衍生物出现。

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关键词:细丝温度敏感蛋白Z;抗菌天然产物;抗菌活性;靶向活性

Research progress on antimicrobial natural products targeting FtsZ protein

MA Si-ti，WEI Guo-dong，LIU Hui，HE Fang-zheng
(Shandong College of Traditional Chinese Medicine，Yantai 250019，China)

Abstract:The misuse of antibiotics has resulted in the emergence and prevalence of bacterial resistance around the world.Many originally powerful antibiotics in the clinic have shown either weak or no activity against resistant strains，which contributes to enormous difficulties in fighting bacterial infections.In recent years，the study has found that filamentous temperature－sensitive protein Z (FtsZ) plays an important role in bacterial cell division，so FtsZ protein is considered as a very potential target for antibacterial agents.Some antimicrobial natural products have been found to act on the target.In this paper，the structure and function of FtsZ protein and the antimicrobial natural products were introduced so as to provide the basis for the research and development of new antibacterial drugs.

Key words:FtsZ; Antimicrobial natural products; Antibacterial activity; On－target activity

作者简介:马思提，女，研究方向:抗耐药菌化合物的设计、合成和活性研究，E－mail: mst13628508293@163.com

中图分类号:R285.5

文献标识码:A

文章编号:2095－5375(2015) 10－0604－004