新たに設計された細菌酵素のバージョンにより、抗生物質がより強力になる仕組みが明らかに

研究、トランスレーショナル医療、プレスリリース

2023年8月30日

写真：ラグナデザイン/Getty

M現代医学は、細菌細胞内の標的を無効にすることによって感染症を治療する抗生物質に依存しています。 これらの細胞に入ると、抗生物質は特定の酵素標的の特定の部位に結合して細菌の増殖を阻止します。 これらの標的の遺伝子にランダムに起こる変化（突然変異）が自然に発生し、場合によっては標的に抗生物質が付着しにくくなり、その細菌のバージョンが治療に耐性を示すことがあります。

このため、時間の経過とともに使用される抗生物質が増えるほど、細菌集団が進化して既存の抗生物質に耐性のある変異体が発生する可能性が高くなり、治療法が時代遅れになるのを防ぐための新しいアプローチの必要性がより緊急に求められます。 研究者らは、関連する機構が耐性を克服するための新たな治療法の設計に役立つことを期待して、数十年にわたり耐性変異株を研究してきた。 しかし、天然に存在する耐性変異体は、発生する可能性のある変異（完全な変異空間）のごく一部に過ぎず、これまでのほとんどの薬物結合部位変異は見落とされてきたため、取り組みは限られている。

この課題に対処するために、ニューヨーク大学グロスマン医科大学の研究者らが主導した新しい研究では、MAGE (多重自動ゲノム工学) と呼ばれる技術を適用して、抗生物質リファンピシンが付着して機能を無効にする細菌種大腸菌の突然変異の全在庫を生成しました。 RNA ポリメラーゼ (RNAP) として知られる必須細菌酵素。 研究著者らは、大腸菌のリファンピシン結合部位を構成する38個のアミノ酸構成要素を、自然界に存在する20個のアミノ酸のそれぞれに置き換えることで、760個のユニークなRNAP変異体を作成した。 次に、この変異体プールの増殖を、リファンピシンによる処理を含むさまざまな条件下でテストしました。

Nature誌オンライン版8月30日に発表されたこの研究では、リファンピシンに対して過敏な2つの変異体、L521YとT525Dが発見された。 抗生物質は、これらの変異株の増殖を阻止するだけでなく、変異細菌集団をほぼ消滅させます。 著者らによれば、リファンピシンは通常、大腸菌や他の多くの細菌性病原体を死滅させるのではなく、その増殖を止めるだけであるため、これは注目すべき発見であるという。

「この研究は、細菌の結合部位残基ではなく、リファンピシンや他の抗生物質の構造を変更して、より強固に結合するようにすることで研究効果を構築しようとしている化学者にとって、抗生物質と細菌の RNAP 相互作用のマップを提供します。効力が増加しました」と、研究共同上級研究員であるニューヨーク大学ランゴンヘルスの生化学・分子薬理学部門のジュリー・ウィルソン・アンダーソン生化学教授エフゲニー・A・ナドラー博士は述べた。 「我々の研究結果は、プロテオバクテリア、アクチノバクター、ファーミキューテスなどの細菌群に結合するリファンピシンの能力を改善する方法も示唆しています。これらの細菌群には、リファンピシンに対して脆弱になる自然なRNAP変異が含まれています。」

大腸菌は遺伝的指示を DNA 鎖に保存しますが、その後、それらを RNA 内の関連する遺伝物質に変換し、RNAP がアミノ酸からタンパク質の構築を導く RNA 鎖を構築します。 新しい研究で作られた変異体は、リファンピシンがRNAPを停止させることによって細菌を殺すことを明らかにし、その結果、リファンピシンと、細胞が分裂して増殖する際にDNAを複製するために同じ分子空間で作動する細胞機構との間で衝突を引き起こすことが明らかになった。 これにより、細菌の DNA の両方の鎖に致死的な切断が引き起こされます。

この研究から得られた他の洞察では、大腸菌のRNAP結合部位変異の一部は、RNAPがRNAを構築する速度を大幅に増加させるため、ピリミジンなどのヌクレオチド構成要素を含む原材料を消費する速度も大幅に増加することが判明した。 研究者らによれば、この研究は、抗がん剤5FUのようなヌクレオチド類似体が使用する作用機序を理解する上で重要な意味を持つという。 ヌクレオチドの枯渇によって細胞がヌクレオチドの供給に対してどのように敏感になるかを理解することは、新しい併用療法の設計に役立つ可能性があると研究者らは述べている。