黄素依赖性胸苷酸合成酶的氧化酶反应揭示了抑制剂结合的机制

《Biochemistry》：The Oxidase Reaction of Flavin-Dependent Thymidylate Synthase Reveals the Nature of Inhibitor Binding

新型抗生素开发研究揭示结核分枝杆菌胸苷酸合成酶（FDTS）的抑制机制：抑制剂通过竞争性结合核苷酸活性位点激活酶的氧化酶反应，产生大量过氧化氢等活性氧物种，同时非竞争性结合叶酸结合位点会抑制氧化酶活性。该发现为抗结核药物设计与高通量筛选提供了新策略。

　　

不断加剧的抗菌素耐药性问题迫切需要新型抗生素，尤其是针对结核分枝杆菌（M. tb）的抗生素，因为这种细菌每年导致150万人死亡。一种有前景的抗生素开发途径是通过抑制产生2′-脱氧胸苷-5′-单磷酸（dTMP）的胸苷酸合成酶（TS）来阻断DNA的生物合成过程，而dTMP是DNA的基本构建单元。目前已知有两种形式的TS酶，研究表明M. tb依赖一种独特的黄素依赖型胸苷酸合成酶（FDTS），这种酶与人类体内的TS酶不同。本研究利用黄素辅因子催化的非生产性氧化反应（O₂还原为H₂O₂），探讨了Mtb FDTS酶的抑制剂的作用机制和结合模式。我们发现，能够竞争性结合在核苷酸结合位点的Mtb FDTS抑制剂能够增强氧化反应；而结合在叶酸结合位点的抑制剂则会抑制氧化反应。我们利用这种不同的动力学行为证明，萘醌类化合物可以通过竞争性结合在酶的活性位点来抑制FDTS，从而激活其氧化反应并产生大量过氧化物作为副产物。通过直接测量叶酸与三组分复合物（酶–黄素–萘醌）的结合情况，我们验证了预测的抑制剂结合模式，为FDTS催化的反应提供了修正的动力学机制。研究结果表明，萘醌类化合物能够抑制FDTS的天然反应，并使酶的活性转向生成还原态氧物种，这有助于阐明它们的抗结核活性，对于未来的抑制剂开发和高通量筛选（HTS）方法具有重要意义。