細菌調節因子の新たな構造的知見、抗菌薬開発への展望を開く

2つの別々の研究により、細菌の転写調節因子の新たな構造的詳細が明らかになり、新規抗菌薬の潜在的な標的が明らかになった。1つは黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）のCcpAにおけるこれまで知られていなかったリガンド結合部位を特定し、もう1つは大腸菌（Escherichia coli）および緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）におけるNrdRの調節機構を解明した。

リボヌクレオチド還元酵素（RNR）は、リボヌクレオチドをDNA合成の構成要素であるデオキシリボヌクレオチド（dNTP）に変換する基本的な酵素である。細菌では、RNRの制御は真核生物には存在しない転写調節因子NrdRによって調整されており、NrdRは抗菌戦略のユニークに選択的な標的となっている。バルセロナ生物工学研究所（IBEC）とバルセロナ分子生物学研究所（IBMB-CSIC）の国際的な学際チームが、NrdR機能の構造的および機構的基盤を解明した。NrdRは細胞内のATPとdATP濃度を感知し、ヌクレオチド依存的に構造再編成を起こし、DNA結合能状態と抑制状態を切り替えることができる。大腸菌由来のNrdRタンパク質を結晶化し、その三次元構造を解明することで、研究者らはこのオリゴマー調節因子の分子スナップショットを提供した。多角度光散乱や原子間力顕微鏡などの補完的手法により、その動的な集合状態が裏付けられた。重要なタンパク質間相互作用界面を破壊する点変異を用いた機能アッセイ、電気泳動移動度シフトアッセイ、および in vitro 転写実験により、ATPとdATPの結合が構造転移の重要な引き金であることが確認された。NrdRは細菌でのみ機能するため、これを標的とすることで、宿主細胞へのオフターゲット効果なしに細菌の生存を選択的に阻害する戦略が可能となる。これは、細菌のヌクレオチド恒常性を破壊し、一般的な耐性機構を回避できる新規抗菌薬につながる可能性がある。

Eduard Torrents（IBEC細菌感染症・抗菌療法グループの主任研究者）は次のように述べている：「このような中心的な調節ハブを標的とすることで、病原菌を弱体化させたり、既存の抗生物質に対する感受性を回復させたりできる可能性があり、増大する薬剤耐性に対抗する有望な道筋となる。」

別の研究では、黄色ブドウ球菌の異化代謝調節タンパク質A（CcpA）が薬剤標的として調査された。CcpAは代謝と病原性を中心的に制御するグローバルな転写因子である。これまでの阻害剤設計の試みは、その閉じた結晶構造と明確なリガンド結合空洞の欠如によって妨げられていた。研究者らは、共結晶化された転写因子の厳選セットを構造テンプレートとして用いた構造誘導アラインメント戦略を適用した。この方法論により、従来の空洞検出法では予測されなかったSa-CcpAの推定リガンド結合部位が特定された。系統解析により、この予測された空洞内の残基がバシラス目（Bacillales）の病原性種のサブセットに保存されており、進化的に制約され機能に関連する領域であることが示された。複数の分子動力学シミュレーションと既知の2つのSa-CcpA阻害剤のドッキングにより、この部位の安定性がさらに支持された。この構造情報に基づくアラインメントアプローチは、転写調節因子を標的とする将来の合理的阻害剤設計を支援する可能性がある。