基于参考集的化学遗传相互作用分析揭示抗结核小分子作用机制

《Nature Communications》：Reference-based chemical-genetic interaction profiling to elucidate small molecule mechanism of action in Mycobacterium tuberculosis

为解决结核病治疗中新型抗生素发现效率低、作用机制不明确的问题，研究人员开发了Perturbagen CLass (PCL)分析方法，通过比较小分子化合物与结核分枝杆菌突变体库的化学遗传相互作用谱，实现对化合物作用机制的快速预测。该研究在交叉验证中达到70%灵敏度与75%精度的预测性能，成功鉴定出新型QcrB靶向支架，为抗结核药物研发提供了高效策略。

　　

结核病（Tuberculosis, TB）作为全球重大公共卫生威胁，其标准治疗方案仍停留在半个世纪前的四药联合方案。随着耐药结核菌株的持续涌现，特别是对一线药物利福平（Rifampin, RIF）和异烟肼（Isoniazid, INH）耐药性的加剧，开发具有新颖作用机制（Mechanism of Action, MOA）的抗结核药物迫在眉睫。尽管近期有贝达喹啉（Bedaquiline）等新药获批，但现有药物发现策略仍面临两大瓶颈：传统生化筛选获得的化合物常缺乏全细胞活性，而全细胞筛选虽能发现杀菌化合物却难以提供MOA信息，导致后续优化盲目且低效。

在这一背景下，研究人员于《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出了一种名为Perturbagen CLass (PCL)分析的计算方法，结合PROSPECT（PRimary screening Of Strains to Prioritize Expanded Chemistry and Targets）筛选平台，实现了对小分子MOA的高通量预测。该研究通过构建包含437个已知MOA化合物的参考集，建立了一套基于化学遗传相互作用（Chemical-Genetic Interaction, CGI）谱相似性的MOA预测体系。

研究团队采用的关键技术方法包括：PROSPECT高通量筛选平台，通过将小分子化合物作用于包含333个结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis, Mtb）必需基因低表达突变株（hypomorph）的混合培养库，利用DNA条形码测序技术定量分析各突变株的生长响应；化学遗传相互作用谱的标准化处理，采用生长率（Growth Rate, GR）和标准化生长率（standardized Growth Rate, sGR）指标消除菌株基线生长差异；以及PCL分析方法，通过比较未知化合物与参考集的CGI谱相似性进行MOA预测。

研究结果

参考集的构建与筛选

研究人员通过文献挖掘构建了包含437个化合物的参考集，涵盖71种已注释MOA，靶向9个高级生物学过程。通过PROSPECT平台对参考集化合物进行10个浓度梯度的剂量响应筛选，获得每个化合物条件下的CGI谱。

生长率指标的优化

针对此前使用的log2-fold change（L2FC）指标在比较不同生长速率菌株时的局限性，研究团队开发了GR和sGR指标。sGR通过分位数归一化和稳健z-score标准化，有效消除了菌株间基线生长差异对CGI谱分析的影响，显著提高了MOA预测的准确性。

PCL分析方法的性能验证

在留一法交叉验证中，PCL分析显示出70%的灵敏度和75%的精确度。对葛兰素史克（GlaxoSmithKline, GSK）提供的75个已知MOA抗结核化合物的测试集中，该方法达到69%灵敏度和87%精确度，证明了其鲁棒性。

GSK化合物库的MOA预测与验证

对98个MOA未知的GSK抗结核化合物，PCL分析预测其中60个化合物通过已知MOA发挥作用，包括38%（65个化合物）被高置信度预测靶向呼吸链复合物亚基QcrB。通过耐药性实验和细胞色素bd缺失突变株敏感性验证，29个预测靶向QcrB的化合物得到功能确认。

新型QcrB靶向支架的发现

从5000个未预选化合物库中，研究人员发现了一个最初缺乏野生型活性的吡唑并嘧啶类支架，其CGI谱与细胞色素bcc-aa₃复合物抑制剂高度相似。通过靶点验证和化学优化，成功获得具有强野生型活性的QcrB抑制剂，证实了PCL分析在发现新型靶向支架方面的潜力。

结论与意义

该研究建立的PCL分析方法实现了从化学遗传相互作用谱到作用机制的直接映射，解决了传统抗生素发现中MOA信息缺失的痛点。该方法不仅能对已知活性化合物进行快速MOA分类，还能从初始无活性化合物中发现可优化支架，极大提高了抗结核药物发现的效率和成功率。通过将PROSPECT筛选与PCL分析相结合，研究人员为抗菌药物研发提供了一条从化合物筛选到靶点验证的高效路径，为应对耐药结核病的治疗挑战提供了创新解决方案。