抗疟急先锋：劫持酪氨酸tRNA合成酶

撰文丨十一月

疟疾（Malaria）是由疟原虫引起的，每年至少有两亿人感染并造成60多万人的死亡【1】。因此疟疾的肆虐对全球卫生、粮食安全以及可持续发展构成重大威胁。青蒿素疗法为疟疾的治疗带来了希望，但是仍有50%的疟疾患者感染不能被治疗。另外，在非洲这一疟疾高发的地区发现了对青蒿素的耐药性，因此迫切需要新的治疗方法克服现有的耐药性问题，扩大治疗的可能性，同时开发新的联合治疗方案。

tRNA合成酶（Aminoacyl transfer RNA synthetases，aaRSs）是很吸引力的药物靶点。为此，澳大利亚墨尔本大学Leann Tilley研究组与美国Takeda开发中心Alexandra E. Gould研究组合作在Science发文题为Reaction hijacking of tyrosine tRNA synthetase as a new whole-of-life-cycle antimalarial strategy，发现化合物AMS（Adenosine 5′-sulfamate）会识别tRNA合成酶，作为广谱性化合物劫持tRNA合成酶，并通过筛选发现了药物ML901能够对疟疾小鼠模型具有低纳米摩尔的全生命周期杀伤活性和单剂量杀伤活性，同时通过结构生物学的解析发现了tRNA合成酶上能够促使ML901进行劫持反应的结构特征。

核苷类氨基磺酸盐通过与酶结合的UBL形成共价偶联抑制剂来抑制UBL活化酶E1。E1催化氨基磺酸氮亲核攻击UBL和E1之间的硫酯键（图1）。到目前为止，攻击UBLs的硫酯键是这种类型的抑制剂机制的唯一已知例子。然而，天然存在的核苷氨基磺酸盐及其衍生物对缺乏E1酶的细菌表现出抑制活性，但该这些活性的机制尚不清楚。作者们对天然核苷氨基磺酸盐AMS的活性进行了探索，AMS与AMP的结构相似，可以作为识别抗疟疾化合物的潜在起点。作者们发现AMS对恶性疟原虫培养物具有很高的细胞毒性，使用AMS处理恶性疟原虫培养物的会触发eIF2alpha磷酸化（图1），这是tRNAs累积引起的应激标志【2】。

图1 AMS具有对疟原虫培养物的毒性

为了鉴定出特异性较窄的靶向aaRS的核苷氨基磺酸盐，作者们从Takeda化合物文库中筛选了2314种用于抑制恶性疟原虫生长的氨基磺酸盐并从中发现了ML901。通过对不同哺乳动物细胞系进行了细胞毒性试验，作者们发现ML901对恶性疟原虫的选择性为800- 5000倍，比AMS的选择性高出了1000倍。另外，ML901对测试的所有恶性疟原虫株均保持活性，还能有效抑制可传播的雄性配子，并阻止人原发性肝细胞中恶性疟原虫的发展。ML901在大鼠中药物动力学研究的结果也令人鼓舞，在静脉或者口服注射之后仍然表现出低的血液清除率和较长的血液半衰期。最后，通过测定ML901在联合免疫缺陷小鼠中的的抗疟疾疗效，确认ML901在没有毒性副作用的情况下可以将寄生虫血症降低到基线水平。

进一步的，作者们希望找到恶性疟原虫中ML901的靶点。首先，作者们通过ML901处理后的红细胞提取物，利用LC-MS寻找偶联物，由此检测到了ML901-Tyr对应的峰，从而确定了恶性疟原虫中酪氨酸tRNA合成酶正是ML901的识别靶点。ML901通过抑制疟原虫中的蛋白质翻译过程发挥作用。在大肠杆菌中作者们分离得到野生型酪氨酸tRNA合成酶Pf YRS、突变体Pf YRSS234C以及人成熟HsYRS后，发现该合成酶的生物物理特性为良好折叠的二聚体。ML901的劫持过程需要酪氨酸、ATP以及tRNA-Tyrd的同时存在。通过对人体内合成酶的处理确认ML901对恶性疟原虫中酪氨酸tRNA合成酶的识别具有特异性（图2）。除此之外，作者们通过对恶性疟原虫中酪氨酸tRNA合成酶结构的解析，揭开了Pf YRS中的活性位点，为ML901发挥作用提供了结构生物学方面的证据。

图2 ML901劫持反应模型

总的来说，作者们工作发现天然核苷氨基磺酸盐AMS通过的反应劫持机制抑制疟原虫的活性，并通过大规模药物筛选发现了ML901可以作为特异性药物劫持恶性疟原虫中单一的aaRS即酪氨酸tRNA转移酶，在疟疾小鼠模型中具有低剂量、长周期、高杀伤活性的特征，为疟疾联合治疗方案提供了新的药物靶点。

http://doi.org/10.1126/science.abn0611

制版人：十一

参考文献

1. WHO, “World Malaria Report 2021” (2021); https://www.who. int/publications/i/item/9789240040496

2. B. A. Castilho et al.,Biochim. Biophys. Acta1843, 1948–1968 (2014).

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