BWC0977与肺炎克雷伯菌拓扑异构酶IV的结构互作解析：广谱抗菌活性与低耐药风险的分子基础

《Communications Biology》：Structural interactions of BWC0977 with Klebsiella pneumoniae topoisomerase IV and biochemical basis of its broad-spectrum activity

本研究针对日益严峻的抗菌素耐药性危机，报道了新型细菌拓扑异构酶抑制剂BWC0977与肺炎克雷伯菌拓扑异构酶IV的首个3.05 ?共晶结构，揭示了其通过平衡抑制DNA旋转酶（Gyrase）和拓扑异构酶IV（Topo IV）实现广谱抗菌活性的分子机制。该化合物对多重耐药革兰氏阴性菌和阳性菌均表现出纳摩尔级 potency，且对临床耐氟喹诺酮和碳青霉烯菌株有效，其双重靶向特性显著降低耐药突变风险，为下一代抗生素研发提供了关键结构依据。

　　

在全球公共卫生领域，抗菌素耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）正以惊人的速度蔓延，成为威胁人类健康的隐形杀手。世界卫生组织（WHO）已将碳青霉烯耐药肠杆菌（如肺炎克雷伯菌）列为最高优先级威胁病原体。传统抗生素如氟喹诺酮类（如环丙沙星）因靶点突变（如GyrA S83L/D87N）导致耐药率激增，而新一代抗生素 gepotidacin 和 zoliflodacin 的抗菌谱有限，且仍面临耐药突变（如GyrB D429N）的挑战。在这一背景下，靶向细菌必需酶DNA旋转酶（DNA gyrase）和拓扑异构酶IV（topoisomerase IV）的新型细菌拓扑异构酶抑制剂（Novel Bacterial Topoisomerase Inhibitor, NBTI）成为突破耐药困境的希望。

本研究由Bugworks Research India Pvt. Ltd.与日本东京科学研究所等团队合作，在《Communications Biology》发表了题为“Structural interactions of BWC0977 with Klebsiella pneumoniae topoisomerase IV and biochemical basis of its broad spectrum activity”的论文，首次报道了吡嗪并恶嗪酮类NBTI候选药物BWC0977与肺炎克雷伯菌拓扑异构酶IV的共晶结构，并从生化、微生物及结构层面系统阐释了其广谱活性机制。

关键技术方法

研究通过以下核心实验支撑结论：1. 酶动力学分析（DNA超螺旋化与解连环试验）测定BWC0977对大肠杆菌、铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的Gyrase/Topo IV半抑制浓度（IC₅₀）；2. 解析BWC0977-肺炎克雷伯菌Topo IV- DNA三元复合物3.05 ?共晶结构（PDB: 9KGT）；3. 利用ssDNA重组技术构建大肠杆菌MG1655的gyrA/parC单点及双点突变株，通过最小抑菌浓度（MIC）评估耐药性；4. 体外自发耐药频率实验分析临床菌株（如ATCC 25922）的突变谱。

研究结果

1. BWC0977对Gyrase和Topo IV的强效双重抑制

BWC0977对大肠杆菌Gyrase和Topo IV的IC₅₀分别为0.004 μM和0.013 μM，效力显著优于gepotidacin（0.77/0.78 μM）和环丙沙星（0.26/16 μM）。其诱导单链DNA断裂（对应凝胶中Nicked DNA条带），而非氟喹诺酮类的双链断裂，机制独特。

2. Topo IV-BWC0977-DNA三元复合物结构揭示结合模式

共晶结构显示BWC0977单分子插入DNA碱基对（+2/+3位点），其左侧（LHS）7-氟-1-甲基喹啉-2-酮通过π-π堆积与DNA相互作用，右侧（RHS）吡嗪并恶嗪酮-恶唑烷酮与ParC亚基D79、M118、R119形成关键氢键及π-硫相互作用。R119与催化残基Y120的相互作用被破坏，直接抑制酶活性。

3. 突变验证关键结合残基的功能

GyrA D82N（对应ParC D79）和M120K（对应ParC M118）突变使BWC0977对Gyrase的抑制效力下降>500倍，而氟喹诺酮耐药突变S83L无影响。大肠杆菌双突变株（gyrA D82N + parC D79N）对BWC0977的MIC升高250倍，但单突变株仅轻微变化，证实双重靶向是抵抗耐药的关键。

4. 低耐药频率与临床菌株活性

BWC0977对大肠杆菌、铜绿假单胞菌的自发耐药频率低于10^-9，且突变株未出现关键结合位点变异。对碳青霉烯耐药肺炎克雷伯菌（KPNIH1）的MIC为1 μg/mL，优于gepotidacin（8 μg/mL），且对耐环丙沙星/美罗培南菌株保持活性。

结论与意义

本研究通过结构生物学与功能实验阐明了BWC0977通过非金属离子依赖机制高效抑制Topo IV，其与保守催化残基（如R119）的相互作用规避了氟喹诺酮的经典耐药路径。双重靶向特性使得耐药需同时突变gyrA和parC，概率极低。BWC0977对ESKAPEE病原体（包括WHO优先清单菌株）的广谱覆盖性、>5000倍的选择性（针对人Topo IIα/IIβ）以及低耐药风险，奠定了其作为下一代抗生素的临床转化潜力。这一研究为针对多重耐药革兰氏阴性菌的NBTI设计提供了关键模板。