Cell：寻找结核病最脆弱的基因

现在，《细胞》杂志(Cell)上的一项新研究有助于解释为什么靶向抗生素在起步阶段遇到了这么多困难。一个答案是，关键基因靶点对抗生素的脆弱程度不同。研究人员发现，理想的目标是非常容易受到攻击，即使是轻微的抑制，细胞也无法存活。另一方面，无懈可击的基因可以经受住几乎全部的抑制，在抗生素的困扰下勉强维持足够的目标活性，使细胞存活。此外，作者首次量化了病原体的易损性，建立了一个指数，根据禁用基因和破坏细胞所需的抑制量，对结核分枝杆菌中几乎所有必需的基因进行排名。

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(Jeremy Rock)说:“基于靶标的药物发现的失败通常被归咎于化合物本身的问题，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无懈可击的基因目标，你就没有为自己的成功做好准备。”

至关重要，但不脆弱

新的抗菌药物通常来自广泛的筛选试验。研究人员在实验室中将化合物库倾倒在细菌上，看看哪些化合物会阻止细菌进一步生长。它快速、不干净，而且非常有效——每一种获准治疗结核病的药物都是通过这种方式发现的。

另一种不太知名的方法是识别细菌赖以生存的基本基因，然后开发抑制这些目标的化合物。这种方法被称为靶向药物发现，已经给我们提供了许多有效的抗癌和抗病毒药物。但是，迄今为止，它还没有在抗生素方面取得成功。洛克和他的团队想知道为什么不可以。

传统观点认为这些化合物会在途中丢失。被细胞壁阻挡，在进入时被泵出，或在里面代谢。也许。这些都是抗生素的希望者们所面临的问题。但洛克怀疑药物开发人员有时也会选择错误的目标。因为仅仅确定细菌赖以生存的关键基因是不够的。一个好的目标也应该是脆弱的。

一个脆弱的基因在压力下会垮掉——即使轻微地阻碍它的表达，也会使基因脱机，并削弱细菌。然而，无懈可击的基因可以经受相当大的打击，仍然完成它们的基本工作。考虑到大多数药物只能抑制部分目标，失败的抗生素可能只会在一个不受伤害的基因上发挥作用。

Rock说:“如果一个目标是高度脆弱的，需要99%的抑制才能杀死细菌，那么你就需要用一个小分子来靶向它，它可以做一些特殊的事情，比如抑制99%的基因产物。”“这并非不可能，但如果你有600个基本基因可供选择，你肯定不想选择其中一个作为目标。”

脆弱性指数

洛克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，可以一次性查看病原体的整个基因组，并根据需要抑制多少基本基因来对每个关键基因进行排序，以杀死细菌。

“我们开发了一个可以调节的系统，从无抑制到几乎100%抑制，”岩石实验室的医学科学家芭芭拉·博世(Barbara Bosch)说。“这让我们能够确定这些细菌是否有严重的健康成本，或者它们是否仍然活着。”

由此产生的指标，将抑制百分比与细菌适应度联系起来，表明脆弱性是决定抗生素是否成功的关键因素。例如，两种最脆弱的基因恰好也是市场上两种最有效的结核病药物的靶标。相反，两种最不脆弱的基因，coaA和def，曾经是很有希望的药物靶点，但针对这两种基因量身定制的抗生素却未能杀死细菌。这些靶点的刀枪不入可能是这些疗法失败的原因之一。

该指数还确定了一些重要的、高度脆弱的、药物开发人员尚未探索的新靶点。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种活动。

洛克说:“我们预计，与中心法则有关的基因是脆弱的——为了复制，你需要能够将DNA转化为RNA，转化为蛋白质。”“但一些最脆弱的基因与蛋白质折叠和分泌有关。我们不一定会预测到这一点。”

“这些都是有待开发的目标，未来值得探索。”

关于脆弱性和可毒品性

在未来的研究中，洛克和他的团队希望在感染了活的有机体的结核病上测试他们的指标;他们目前的指标仅仅是基于结核菌对皮氏培养皿的抑制反应。“下一步的重要工作是研究脆弱性在宿主-病原体关系的背景下是如何变化的，”Rock说。“体内研究将为我们提供一个更完整的脆弱性图。”

然而，鉴于实验室的结果与临床观察相吻合，初步的发现很可能是站得住脚的。也就是说，有效的结核病药物通过使同样在易损性指数中排名靠前的基因失效而发挥作用，而让科学家们困惑的顽固靶标则排名靠后。其结果是，即使是现在，药物开发人员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，优先考虑脆弱基因。

Rock说:“我们不想把刀枪不入等同于不吸毒——这是不公平的。”“但前进的道路是开始优先考虑脆弱的目标，而不是不受伤害的目标。”

“如果你想与一个无懈可击的目标合作，这将是一场艰苦的战斗。”

Journal Reference:

Barbara Bosch, Michael A. DeJesus, Nicholas C. poulton, Wenzhu Zhang, Curtis A. Engelhart, Anisha Zaveri, Sophie Lavalette, Nadine Ruecker, Carolina Trujillo, Joshua B. Wallach, Shuqi Li, Sabine Ehrt, Brian T. Chait, Dirk Schnappinger, Jeremy M. Rock. Genome-wide gene expression tuning reveals diverse vulnerabilities of M.tuberculosis. Cell, 2021; DOI: 10.1016/j.cell.2021.06.033