抗维生素B12通过结合钴胺素核糖开关抑制细菌基因表达的研究

《RSC Chemical Biology》：Repression of bacterial gene expression by antivitamin B12 binding to a cobalamin riboswitch

本文系统探讨了腺苷铑胺（AdoRhbl）作为钴胺素核糖开关的新型效应配体，通过体外转录/翻译实验和工程化大肠杆菌模型，证实其可高效模拟天然辅酶B12（AdoCbl）结合btuB核糖开关，从而抑制细菌维生素B12转运蛋白表达。该研究为开发靶向B12代谢通路的多功能抗生素提供了新策略。

　　

引言

细菌核糖开关作为遗传调控元件，通过其适配体结构域特异性结合小分子代谢物，进而调控基因表达。其中，大肠杆菌（Escherichia coli）的btuB核糖开关作为典型的I类钴胺素（cobalamin, Cbl）核糖开关，可高选择性结合辅酶B₁₂（腺苷钴胺素，AdoCbl），并通过构象重排抑制外膜B₁₂转运蛋白BtuB的翻译。近年来，抗维生素B₁₂（antivitamin B₁₂, aVitB₁₂）作为维生素B₁₂的结构类似物，因其能够干扰B₁₂依赖性细胞过程而受到关注。腺苷铑胺（AdoRhbl）作为AdoCbl的异质结构铑类似物，虽缺乏钴中心的化学反应性，但其空间结构和表面功能基团与天然配体高度相似，提示其可能通过模拟AdoCbl与核糖开关结合，进而调控细菌基因表达。

结果与讨论

研究通过构建两种核糖开关报告系统（工程化大肠杆菌荧光报告系统和体外转录/翻译系统），比较了AdoRhbl与AdoCbl对btuB核糖开关的调控效能。在体外实验中，AdoRhbl与AdoCbl均能浓度依赖性地抑制绿色荧光蛋白（eGFP）表达，半数有效浓度（EC₅₀）分别为2.8 μM和0.8 μM，表明两者与核糖开关的结合亲和力相近。而在工程化大肠杆菌体内实验中，两者均表现出纳摩尔级的高效敏感性（AdoRhbl EC₅₀= 1.4 nM；AdoCbl EC₅₀= 6.9 nM），反映出细菌对两种咕啉化合物的高效摄取和胞内积累。

对比另一种aVitB₁₂化合物2-(2,4-二氟苯基)乙炔基钴胺素（F2PhEtyCbl）的研究发现，其核糖开关结合能力显著弱于AdoRhbl（体内EC₅₀≈ 180 nM），说明I类Cbl核糖开关对配体“上部”轴向基团结构具有高度选择性。进一步通过Western blot和荧光强度双重验证，确认AdoRhbl与AdoCbl均能诱导核糖开关构象变化，最大抑制效率达80%，且该调控作用具有特异性（无核糖开关的对照质粒不受影响）。

研究还发现，维生素B₁₂（氰钴胺素，CNCbl）虽可结合btuB核糖开关，但其亲和力（EC₅₀≈ 31.4 μM）和最大抑制效率（约63%）均低于AdoCbl，与早期研究一致。这一现象凸显了核糖开关对腺苷基团的偏好性。结构生物学研究表明，I类Cbl核糖开关（如Symbiobacterium thermophilum来源的开关）的配体结合口袋具有精确互补Ado基团的空间结构，而II类核糖开关（如env8）则倾向于结合甲基钴胺素（MeCbl）等小轴向配体。

基于上述发现，研究提出AdoRhbl作为一种多功能抗生素候选分子的潜力：一方面，其通过高效结合btuB核糖开关抑制B₁₂摄取蛋白表达，阻断细菌对外源钴胺素的获取；另一方面，它可抑制AdoCbl依赖性酶（如二醇脱水酶和腺苷转移酶），通过双重机制协同抑制细菌生长。此外，其他铑啉类似物（如甲基铑胺MeRhbl、氯铑胺ClRhbl）或可靶向II类核糖开关，拓展aVitB₁₂的应用范围。

结论

本研究证实AdoRhbl能够紧密模拟天然配体AdoCbl，作为I类Cbl核糖开关的高效效应分子，通过抑制BtuB表达干扰细菌B₁₂代谢。结合其酶抑制活性，AdoRhbl展现出多重抗菌机制，为靶向B₁₂依赖性微生物的抗生素设计提供了新思路。未来基于核糖开关配体选择性的理性设计，有望开发出更具特异性的aVitB₁₂类抗菌药物。