利用结核分枝杆菌的硫转移机制：发现靶向CysA2的新型抗结核先导化合物

《Computational Biology and Chemistry》：Exploiting Sulfur Transfer Machinery in Mycobacterium tuberculosis: Discovery of Novel CysA2-Directed Antitubercular Leads

　　

• •
  针对CysA2筛选了超过448,000种化合物。
• •
  识别出三种强效的CysA2结合候选物。
• •
  F2532-0240显示出最高的动态稳定性。
• •
  F0808-0813和F2532-0240显示出电子稳定性。
• •
  F2532-0240和F0808-0813脱颖而出，成为先导候选物。

引言

结核病（TB）是全球最具破坏性的传染病之一，尽管经过数十年的防控努力，它仍然是一个重大的公共卫生问题。该病的致病因子是结核分枝杆菌（Mtb），一种高度适应的胞内细菌，能够引发活动性和潜伏性感染。根据世界卫生组织（WHO）的最新评估，2024年全球约有1070万至1080万人感染了结核病，结核病在全球造成了超过120万人的死亡，使其成为单一病原体导致的死亡的主要原因之一（World Health Organization, 2025, Estaji et al., 2025）。结核病的负担分布不均，大多数病例集中在少数高负担国家，而这些国家均为低收入和中等收入国家。世界卫生组织的近期分析表明，印度一国就贡献了约25%的报告结核病例，这表明仍需开发针对Mtb生物学特性的新型治疗干预手段。

结核病仍然是一场全球健康紧急事件，其原因源于多种相互关联的因素，包括诊断延迟、治疗疗程长、耐多药（MDR）和广泛耐药（XDR）菌株的出现、HIV合并感染、糖尿病、营养不良以及社会经济差异。这些多样化的挑战共同阻碍了疾病防控工作，并导致社区内持续传播（World Health Organization, 2025, Chen et al., 2025）。此外，Mtb在巨噬细胞内存活并适应不良宿主条件的非凡能力，也阻碍了强效抗菌方法的开发。该菌利用复杂的代谢和调控网络，使其能够在潜伏性感染期间长期存活，从而为未来的疾病复发建立储存库（Liu et al., 2024, Dutta and Karakousis, 2014）。

对新型抗结核药物的探索越来越多地针对对细菌生存至关重要但在人类中缺失或明显改变的非代谢通路。因此，若干已验证和正在开发中的靶点受到广泛关注，例如参与细胞壁生物合成、能量代谢、蛋白质合成、氧化还原稳态、氨基酸生物合成以及硫酸盐摄取通路的酶。其中，硫代谢已成为治疗探索中一个特别引人注目的靶点，因为含硫代谢物对细胞氧化还原稳态、解毒、毒力以及感染期间对氧化应激的适应至关重要（Hatzios and Bertozzi, 2011）。

Mtb硫酸盐同化的第一步是通过特定的ATP结合盒（ABC）转运体系统将无机硫酸盐摄取到细胞内，该系统由硫酸盐结合和转运蛋白SufI/CysP、CysT、CysW和CysA组成。硫酸盐被转运进细菌细胞，并通过一系列酶促反应转化为对生长和致病性至关重要的含硫生物分子（Khan et al., 2024）。遗传学和生物化学研究表明，硫酸盐摄取的破坏会显著影响硫代谢和细菌适应性，从而强调了该通路对分枝杆菌生存的重要性（Wooff et al., 2002）。

在参与硫摄取的蛋白质中，CysA2（Rv0815c）引起了越来越多的关注。利用功能基因组学对Mtb复合体进行研究，结果显示CysA2参与硫酸盐转运和硫的摄取。CysA2介导的硫摄取发生改变会导致硫酸盐同化缺陷和蛋氨酸营养缺陷型表型，表明该蛋白在维持硫稳态方面具有重要的生物学意义（Wooff et al., 2002, Meza et al., 2019a, Kapopoulou et al., 2011）。近期的研究进一步证实了硫酸盐转运装置在Mtb成功定植宿主组织和适应过程中的关键作用，加强了在抗结核药物开发中针对硫酸盐同化系统的论证依据（Le Mou?llic et al., 2025）。

然而，尽管异烟肼、利福平、吡嗪酰胺和乙胺丁醇等成熟的抗结核药物已经可用，治疗的有效性却受到疗程长、药物毒性、患者依从性差以及耐药Mtb菌株日益普遍的限制。贝达喹啉、德利曼尼和普托马尼等新型药物的开发扩大了耐药结核病的治疗选择，但这些药物的耐药性已被报道，强调了针对此前未充分开发的分子靶点寻找新型化学类型的持续需求（World Health Organization, 2025, Conradie et al., 2022, Ribeiro et al., 2023）。

同时，越来越多的关注被投向硫代谢相关蛋白，包括CysE及其他硫酸盐同化酶，因为破坏这些通路会损害Mtb的氧化应激耐受性、毒力和持久性（Hatzios and Bertozzi, 2011, Zhang et al., 2025）。综上所述，我们的研究结果指出，参与硫酸盐摄取和下游硫代谢的蛋白质是开发下一代抗结核药物的潜在治疗靶点。

考虑到硫摄取在Mtb生理功能中的重要作用，以及对抗结核新疗法的日益增长的需求，本研究旨在寻找针对Mtb野生型CysA2蛋白的潜在小分子抑制剂。这是因为通过药物手段干扰CysA2介导的硫利用，可能会损害细菌生存和适应性所需的重要代谢通路。因此，本研究从Life Chemicals的ADMET类筛选库中鉴定和表征了潜在的CysA2靶点抑制剂，并评估了它们的分子识别特征、能量稳定性、构象行为和电子性质，从而为以CysA2为靶点治疗结核病的可能性提供了新的见解。

章节摘要

蛋白质准备

为进行可靠的虚拟筛选、分子对接及进一步的模拟研究，我们对蛋白质进行了准备，以获得CysA2在化学上一致且在能量上精炼的结构。我们从蛋白质数据银行（PDB）中获取了Mtb野生型CysA2的三维结构（Burley et al., 2025）。在计算研究之前，我们使用Schr?dinger Suite中实现的Protein Preparation Wizard对该蛋白质结构（PDB ID：3HWI（Baugh et al., 2015））进行了精炼（Madhavi Sastry等

虚拟筛选及基于MM-GBSA的活性化合物优选

经过层级化虚拟筛选后共获得448种化合物（对接得分在?6.078至?3.975 kcal/mol之间），随后对其进行了MM-GBSA结合自由能计算，以提高活性化合物选择的可靠性并降低假阳性预测的概率（表S1）。MM-GBSA计算包括分子力学能量以及通过广义Born和表面积模型近似的溶剂化因子，能够更准确地确定结合

讨论

在本研究中，我们将CysA2鉴定为一种研究不足的抗结核分枝杆菌靶点，并采用多步骤计算方法从LC_ADMET_like_Screening_Library中筛选小分子抑制剂。近期，针对结核病的计算机模拟研究主要聚焦于已确立的靶点，如DprE1、InhA、PknG、Pks13、FtsZ、MurB、GyrB、RpsA和CYP125A1，其中运用了分子对接、MM-GBSA/MM-PBSA、ADMET和分子动力学模拟进行活性化合物优选。相比之下，

结论

在本工作中，我们采用了一种整合的计算药物发现方法，寻找结核分枝杆菌CysA2的潜在小分子抑制剂。CysA2是一种参与硫代谢和细菌适应性的硫氧还蛋白家族硫转移酶。对LC_ADMET_like_Screening_Library进行层级化虚拟筛选，随后基于MM/GBSA结合能进行精炼，识别出三种引人入胜的化合物，即F0808-0813、F1631-0176和F2532-0240。所有已鉴定的化合物均显示出更优的

资助

作者感谢沙特阿拉伯萨勒曼·本·阿卜杜勒阿齐兹王子大学通过项目编号（PSAU/2025/03/38822）对本研究工作的资助。

CRediT作者贡献声明

Foudah Ahmed I：撰写 – 审阅与编辑，项目管理，方法论，形式化分析，概念构思。Mohd Imran：撰写 – 审阅与编辑，监督，软件，形式化分析，数据整理。Mohd Saeed：撰写 – 初稿，监督，资源，调查研究，数据整理。Aftab Alam：撰写 – 审阅与编辑，监督，方法论，研究经费获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯萨勒曼·本·阿卜杜勒阿齐兹王子大学通过项目编号（PSAU/2025/03/38822）对本研究工作的资助。作者还感谢沙特阿拉伯Al-Kharj市萨勒曼·本·阿卜杜勒阿齐兹王子大学药学院提供必要的研究设施。

利益冲突

无

Ahmed I. Foudah|Mohd Imran|Mohd Saeed|Aftab Alam