靶向胸苷酸激酶(TMPK)的多步虚拟筛选与分子模拟发现抗MRSA抑制剂的研究

本研究针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)日益严重的抗生素耐药性问题，通过多步虚拟筛选策略（包括分子对接、分子动力学模拟和自由能计算）从传统中药、非洲天然产物等数据库中筛选出16种潜在TMPK抑制剂。研究鉴定出8个高结合能化合物，其中5,7,3',4'-四羟基黄烷醇(EA-23615476)和网状霉素(SA-439653)表现出最优结合特性(-11.787 kcal/mol)和良好ADMET特性，为开发新型抗MRSA药物提供了重要候选分子。

　　

抗生素耐药性已成为全球公共卫生的重大威胁，其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)因其对β-内酰胺类抗生素的耐药性尤为棘手。MRSA可通过mecA基因编码低亲和力的青霉素结合蛋白PBP2a，还能通过gyrA和grlA突变产生氟喹诺酮类耐药，23S rRNA突变导致大环内酯类和利奈唑胺耐药，以及NorA和MepA外排泵过表达引发多药耐药。面对传统抗生素研发的困境，靶向细菌必需但人类缺乏同源物的关键酶成为新策略。

胸苷酸激酶(TMPK)在细菌DNA合成中催化dTMP转化为dTDP，是MRSA生存必需且高度保守的靶点。研究人员采用创新性的多步虚拟筛选方法，系统扫描了传统中药(TCM)、非洲天然产物(AfroDB)、InterBioScreen(IBS)、暗化学物质和Maybridge等数据库。通过三级筛选流程：初步对接筛选→诱导契合对接(IFD)验证→500 ns分子动力学(MD)模拟评估，结合MMGBSA/MMPBSA自由能计算、主成分分析(PCA)和自由能景观(FEL)等先进技术，最终锁定8个高潜力抑制剂。

关键技术方法包括：1) 从PDB获取TMPK晶体结构(4MQB)并进行蛋白准备；2) 使用FAF4drug和Lipinski五规则预筛化合物；3) 采用AutoDockFR进行柔性对接和IFD；4) AMBER21软件进行500 ns MD模拟；5) MMGBSA/MMPBSA方法计算结合自由能；6) PCA和FEL分析构象动力学；7) SwissADME和pkCSM预测ADMET性质。

研究结果部分显示：

1. 化学空间探索与TMPK抑制剂发现：从各数据库筛选的17个先导化合物中，5,7,3',4'-四羟基黄烷醇(EA-23615476)表现出最优对接分数(-11.787 kcal/mol)，与Arg48、Phe66等关键残基形成π-π堆积和氢键网络。伪石蒜碱(NA/NE-443689)和网状霉素(SA-439653)分别以-10.897和-9.850 kcal/mol紧随其后。

2. 分子动力学模拟：

• 动态稳定性分析：SA-439653-TMPK复合物RMSD稳定在~2.0 ?，表现出最佳结构稳定性。
• 结构紧密度分析：NA/NE-443689复合物保持恒定Rg值(16.6 ?)，显示最优结构紧凑性。
• 氢键网络分析：IBS-338463复合物维持约140个氢键，相互作用最强。

1. 结合自由能计算：MMGBSA结果显示SA-439653结合能最优(-38.50±0.28 kcal/mol)，其vdW相互作用(-44.39±0.17)和静电作用(69.70±0.54)贡献显著。

2. PCA与FEL分析：SA-439653呈现双模态能量阱，表明存在两个稳定结合构象；而EA-23615476则显示多能量阱，反映构象灵活性。

3. 分子类药性与ADMET分析：网状霉素(SA-439653)具备最佳类药性参数(LogP 2.8867，分子量329.396 g/mol)，92.883%的肠道吸收率且无毒性风险，综合评分第一。

这项研究通过整合多源化合物库筛选与多尺度计算验证，突破了既往TMPK抑制剂研究的局限。500 ns长时程模拟和双自由能计算方法确保了结果可靠性，鉴定的先导化合物特别是植物生物碱网状霉素，其结合亲和力(-38.50 kcal/mol)显著优于既往报道的抑制剂。这些化合物靶向TMPK保守活性位点，能有效规避现有耐药机制，且ADMET特性优良，为后续抗MRSA药物开发奠定了坚实基础。研究发表在《Journal of Infection and Public Health》，不仅提供了具体候选分子，更建立了针对耐药菌靶点开发的标准化计算流程，对应对全球抗生素危机具有重要战略意义。未来需通过体外酶活实验和MRSA培养抑制研究进一步验证这些计算预测结果。