作用于细菌氨酰-tRNA合成酶的抗感染药物研究进展

张硕，李卓荣

(中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所，北京 100050)

抗菌药物是人类医药史上最成功的治疗药物，在控制感染性疾病过程中发挥了重要的作用。但与此同时，抗生素的滥用及新结构骨架抗生素上市的减少，使细菌耐药问题变得异常严峻。其中最为突出的是鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、肠杆菌、金黄色葡萄球菌、屎肠球菌。在我国细菌耐药形势也是相当严峻，2018年11月全国细菌耐药监测网发布的《2017年全国细菌耐药监测报告(简要版)》数据显示，2017年全国鲍曼不动杆菌对碳青霉烯类药物耐药率为56.1%，铜绿假单胞菌对碳青霉烯类药物耐药率为20.7%，肺炎克雷伯菌对碳青霉烯药物的耐药率为9.0%，耐药率较2016年有所上升，大肠埃希菌对碳青霉烯类药物的耐药率为1.5%，甲氧西林耐药金葡菌全国检出率为32.2%，万古霉素耐药的屎肠球菌检出率为1.4%，细菌耐药已严重威胁人们的健康。因此开发针对新靶点的抗菌药物迫在眉睫。近些年来，氨酰-tRNA合成酶作为抗感染药物靶标受到的关注，由葛兰素史克公司开发的莫匹罗星(异亮氨酰-tRNA合成酶抑制剂)为第一个针对此类靶点上市的抗感染药物[1]，2014年美国食品药品监督管理局(FDA)又批准了另一个针对亮氨酰-tRNA的抑制剂Tavaborole，用于治疗真菌引起的甲癣[2]，证明此类靶点具有开发研究价值。本文将对氨酰-tRNA合成酶的结构、作用机制、分类及近年来针对此类靶点研究状况进行系统综述。

1 氨酰-tRNA合成酶

1.1 氨酰-tRNA合成酶结构特点及分类 氨酰-tRNA合成酶广泛存在于古生菌(archaeal)、细菌和真核细胞中，在细胞生长、保持遗传编码正确翻译方面起到重要作用[3]。目前，在生物体内已发现 20多种氨酰-tRNA合成酶(aaRS)，根据酶催化中心结构(见图1)不同、亚基组成的差别可分为Ⅰ类和Ⅱ类。Ⅰ类aaRS的活性中心ATP结合位点由交替的α-螺旋和β-折叠组成的Rossmann折叠结构构成，且包含同源保守氨基酸序列HIGH和 KMSKS。HIGH序列位于第一个β-折叠与相连的α-螺旋之间(链A与螺旋B),KMSKS序列位于第五个β-折叠后。根据Ⅰ类酶的序列的相似性，又可分为以下5个亚类，Ⅰa、Ⅰb、Ⅰc、Ⅰd和Ⅰe组成，在原核细胞或真核细胞中，每一种亚型的酶具有结构的相似性，可以识别结构类似的氨基酸，Ⅰa亚型由异亮氨酰-tRNA合成酶、亮氨酰-tRNA合成酶、蛋氨酰-tRNA合成酶和缬氨酰-tRNA合成酶组成，用以识别带有疏水性基团的氨基酸。Ⅰb亚型由半胱氨酰-tRNA合成酶、谷氨酸-tRNA合成酶和谷酰胺-tRNA合成酶组成，底物氨基酸中带有电荷。Ⅰc亚型由酪氨酰-tRNA合成酶和色氨酰-tRNA合成酶组成，此类酶可以识别带有芳香环的氨基酸底物。由于精氨酰-tRNA合成酶的结构与其他I类酶不同为Ⅰd亚型。目前发现了2种结构类型的赖氨酰-tRNA合成酶，其中一种与Ⅰb亚型结构相似，但含有特殊的α-螺旋结构，列为Ⅰe亚型。

Ⅱ类aaRS的活性中心由7条反平行的β折叠结构和3段同源序列组成。第一段序列中包含由保守的脯氨酸残基，第二、三段残基含有保守的精氨酸残基，与ATP分子结合有关[4]。根据亚结构的不同，其又可分为Ⅱa、Ⅱb、Ⅱc三类。Ⅱa亚型由甘氨酰-tRNA合成酶、组氨酰-tRNA合成酶、脯氨酰-tRNA合成酶、苏氨酰-tRNA合成酶和丝氨酰-tRNA合成酶组成，此类亚型的氨酰化反应区域主要位于N-端。Ⅱb亚型由天门冬氨酸-tRNA合成酶、天门冬氨酰-tRNA合成酶、赖氨酰-tRNA合成酶组成，它们在结构上具有相似的C-端氨酰化区域。Ⅱc亚型由丙氨酰-tRNA合成酶、甘氨酰-tRNA合成酶、苯丙氨酰-tRNA合成酶、吡咯赖氨酰-tRNA合成酶组成。分类见表1。

A.I类酪氨酰-tRNA合成酶(1-222个残基PDB:3TS1)；B.II 类甘氨酰-tRNA合成酶(α亚单位PDB:3UFG)图1 氨酰-tRNA合成酶催化中心的结构

虽然在真核细胞或原核细胞中相同亚型的酶存在氨基酸序列的相似性，且具有共同的遗传祖先，但在相同亚型内不同的氨酰-tRNA合成酶，仍具有各自的结构特点，存在着二维及三维的结构差别；另外真核细胞与原核细胞在酶结构、底物识别机制上存在较大的差别，即使在同一物种内部，相同的氨酰-tRNA合成酶，由于存在酶遗传的交叉变异，仍然存在结构上的差别，此为设计具有选择性的氨酰-tRNA合成酶抑制剂打下了结构基础。

1.2 氨酰-tRNA合成酶作用机制 尽管氨基酸的底物不同，所有的氨酰-tRNA合成酶催化过程可分为两个过程(见图2)：首先，酶催化氨基酸的羧基和ATP分子中的5′-磷酸基形成共价键，形成氨酰-腺苷(aa-AMP)中间体，从而将特定的氨基酸结合到ATP分子上。第二步，氨酰-tRNA合成酶结合相应的tRNA，氨基酸残基从aa-AMP转移到tRNA分子末端3′-腺苷酸的2′-OH或3′-OH上，从而形成氨酰-tRNA。然后脱离合成酶，进入核糖体，完成蛋白质的合成[5]。

表1 氨酰-tRNA合成酶的分类[4]

图2 氨酰-tRNA合成酶催化反应机理[6]

正确的氨酰化反应依赖于酶对底物氨基酸与相应tRNA分子的识别，酶通过以下的机制保证了tRNA分子与相应的氨基酸发生酰化反应，首先酶具有特殊的反应位点，用以识别和活化特定的氨基酸，体积较大的氨基酸不能进入酶的反应位点。另外tRNA分子较大，具有较多的特征元素，相对于小分子，酶发生错配的概率更低。另外酶还存在编辑位点以水解错配的氨基酸。Martinis等[7]报道可分为以下两种机制，1是转录前的编辑，酶可将错误酰化的氨酰-腺苷水解为氨基酸和AMP分子。2是转录后的编辑，酶可将错误酰化的tRNA分子水解。酶存在的特殊的催化位点及编辑位点将氨基酸错配的概率降低到4万分之1[8]。

2 已上市及处于临床阶段的氨酰-tRNA合成酶抑制剂

针对此类靶点的抑制剂，目前已有3种药物批准上市，另外还有药物处于临床阶段，说明此类蛋白可成为药物靶点，具有深入的开发研究价值，首先介绍已上市及处于临床阶段的化合物。

2.1 莫匹罗星 莫匹罗星[1](见图3，化合物3)是被FDA批准上市的第一个针对异亮氨酰-tRNA合成酶(Ile-RS)的抑制剂，通过局部给药，用于治疗由金葡菌引起的皮肤感染及预防金葡菌引起的鼻腔带菌。它是从荧光假单胞菌中分离得到的天然产物，通过竞争异亮氨酸结合位点，从而抑制细菌蛋白质的合成，其对大肠杆菌异亮氨酰-tRNA合成酶的亲和力达到2.5 nmol·L-1。另外，此化合物还表现出了较好的选择性，其对细菌的蛋白亲和力是人蛋白亲和力的8 000倍[9]。莫匹罗星主要针对革兰阳性菌，对甲氧西林耐药的金葡菌的最小抑菌浓度(MIC)值为0.25～0.5 μg·mL-1。

2.2 Tavaborole 2014年FDA批准了Anacor制药公司开发的针对亮氨酰-tRNA合成酶(LeuRS)编辑位点的抑制剂药物Tavaborole(曾用名AN2690，见图3，化合物4)，属于硼化合物[2-3]。通过局部给药用于治疗真菌引起的甲癣，其对红色毛癣菌、须毛癣菌MIC值为1 μg·mL-1，对白色念珠菌的MIC值为0.5 μg·mL-1 [10]。AN2690通过与tRNALeu3′-腺苷的2′和3′氧原子共价结合于LeuRS的编辑位点，通过阻碍酶结构的翻转起到抑制蛋白质合成的作用，从而产生抗真菌作用[3]。

2.3 常山碱衍生物HF HF(见图3，化合物5)属于卤代的常山碱类(从常山植物中分离得到植物碱)衍生物，在许多方面表现出了生物活性，包括抗疟疾、肿瘤、纤维化和自身免疫等方面。其可通过抑制脯氨酰-tRNA合成酶而起到抗疟及抗寄生虫作用，1999年被欧盟批准用于兽用治疗球虫病[11]，另外研究发现其可通过抑制Th17细胞分化从而起到抑制炎症及对抗自身免疫方面的活性，在2000年被FDA批准为孤儿药用于治疗与免疫系统相关的硬皮病[12]。

2.4 REP8839 REP8839 (见图3，化合物6)为蛋氨酰-tRNA合成酶抑制剂，其对金葡菌的蛋氨酰-tRNA合成酶(MetRS)的亲和力达到10 pmol·L-1。主要针对金葡菌引起的皮肤和伤口感染，其对莫匹罗星耐药的金葡菌的MIC90值为0.5 μg·mL-1，对25株临床分离的表葡菌的MIC90值为0.12 μg·mL-1，另外对48株分离的酿脓链球菌MIC90值为0.12～0.25 μg·mL-1，而莫匹罗星对其中耐药菌株MIC90值为8 μg·mL-1 [13]，其主要对抗皮肤感染的金葡菌与酿脓链球菌，另外不仅对甲氧西林、莫匹罗星耐药的金葡菌，对万古霉素中介及耐药的菌株也表现较好活性，目前正处于临床Ⅰ期。

图3 已上市或处于临床阶段的氨酰-tRNA合成酶抑制剂的化学结构

3 氨酰-tRNA合成酶抑制剂的研究发现方式

除上述介绍的几种已上市或处于临床阶段的氨酰-tRNA合成酶抑制剂外，人们也在不断发现针对此类靶点的新化合物，大体可分成3种途径：①通过微生物发酵，天然产物修饰策略发现了一批具有抗菌活性的化合物，包括莫匹罗星，通过对天然产物进行全细胞筛选，确定了许多针对氨酰-tRNA合成酶的抑制剂具有抗菌活性；②通过模拟酶底物方式发现高亲和力化合物；③通过酶活及计算机辅助设计手段得到亲和力骨架，然后进行结构改造，已发现新骨架的抗菌化合物。以下分别介绍上述3种策略的研究情况。

3.1 微生物发酵、天然产物修饰途径

3.1.1 莫匹罗星及结构类似物 1971年，Fuller等[14]报道了从荧光假单胞菌的代谢产物中分离得到了假单胞菌酸A，即莫匹罗星。作为已上市的抗菌药物，目前关于莫匹罗星耐药的金葡菌也已报道，可分为高耐药(MIC>512 μg·mL-1)，基于菌体产生mupA基因，从而获得第二种异亮氨酰-tRNA合成酶引起[15]，及中度耐药(MIC为4～512 μg·mL-1)，由异亮氨酰-tRNA合成酶的点突变引起[16]，与此同时，关于莫匹罗星的结构改造也在继续，结构中的α、β不饱和酯结构影响了系统给药的代谢稳定性，酯基水解后抗菌活性消失，Brown等[17]根据生物电子等排体将α、β不饱和酯替换为不饱和的五元芳环，其中化合物7、8 (见图4)的MIC值为2～8 μg·mL-1，不如莫匹罗星。Broom等[18]在恶唑环的基础上连上带硝基的芳环结构，提高了莫匹罗星的活性并拓展了抗菌谱，化合物9、10(见图4)对莫匹罗星耐药的脆弱拟杆菌、金葡菌C37和F89表现出了一定活性。对莫匹罗星耐药金葡菌表现出活性反映其作用机制并非仅通过抑制细菌的异亮氨酰-tRNA合成酶发挥抗菌作用，进一步机理研究显示，该硝基化合物通过细菌的NADH和NADPH-依赖的还原酶转变成活性产物而进一步起到抑菌作用。

图4 莫匹罗星结构改造物

3.1.2 疏螺体素(BN) 疏螺体素 (见图5，化合物11)属于苏氨酰-tRNA合成酶抑制剂，1949年Berger等[19]在链霉菌属的发酵产物中分离得到，它能强有力的抑制细菌和真核细胞的ThrRS。BN具有十八元环的大环内酯结构，可通过诱导契合的机制结合于与ThrRS的中心活化位点的关键区域，研究发现其可占据苏氨酰-tRNA合成酶部分氨基酸位点、ATP、tRNA及辅助位点，从而起到抑制ThrRS的作用，此化合物具有强的抗疟活性，半抑制浓度(IC50)值达到0.97 nmol·L-1，其活性与临床使用的青蒿素甲醚、氯喹相似[20]。

3.1.3 吲哚霉素 吲哚霉素(见图5，化合物12)是1960年Marsh等[21]首次报道的从白色链霉菌中分离得到的一种抗生素。其结构中含有色氨酸结构，提示通过细菌的芳香氨基酸摄入系统进入细胞内，竞争结合色氨酰-tRNA合成酶(Trp-RS)而起到抗菌作用。吲哚霉素对革兰阳性菌和少数革兰阴性菌表现出一定的抑菌活性，其对32株甲氧西林敏感的金葡菌的MIC值为0.125～0.5 μg·mL-1，对28株甲氧西林耐药的金葡菌的MIC值为(0.125～2 μg·mL-1)，对7株万古霉素中介的金葡菌的MIC值为(0.125～2 μg·mL-1)，对莫匹罗星和夫西地酸耐药的金葡菌也表现出较好的抑菌活性[22]。此外，研究发现吲哚霉素还具有良好的抑制幽门螺杆菌的活性[23]。目前，有报道在灰色链霉菌上发现了由于TrpRS上的 (H43N)点突变引起的耐药性。在吲哚霉素的改造方面，Witty 等[24]在将6位的甲基变为乙基、甲硝基及羧酸酯基后活性大幅度下降，在6位引入羟基活性可以保持。

3.1.4 创新霉素 创新霉素(见图5，化合物13)是我国科研工作者于1976年首先在济南放线菌3945中发现的全新结构的抗生素[25]，经验证其属于色氨酰-tRNA合成酶抑制剂，具有中等抗菌活性[26]，其主要对革兰阳性菌和少数革兰阴性菌具有抑制作用，对金色葡萄球菌、痢疾杆菌、大肠杆菌及流行性感冒杆菌具有抗菌作用。其对金色葡萄球菌的MIC值为1.56～3.125 μg·mL-1，对大肠杆菌1515的MIC值为3.125～6.25 μg·mL-1。在结构改造方面，苏盛惠等[25]合成若干羧酸衍生物，包括酯及酰胺结构，另外对吲哚环上氮上进行取代衍生化，衍生物的体外抗菌活性表明，除N-甲酰基取代衍生物与创新霉素活性相当外，其他衍生物均无明显的抗菌活性。戚天庆等合成了去硫创新霉素，发现其也是通过抑制Trp-RS起到抗菌作用，其对E.coliB的抗菌活性与创新霉素相当[27]。Brown等[28]对创新霉素新行了开环，扩环以及羧基上的修饰得到一个对金黄色葡萄球菌、流感嗜血杆菌和卡塔莫拉菌活性较好的内酯化合物。

3.1.5 Microcin C 1976年Asensio等[29]首先报道了Microncins为来源于大肠杆菌的具有抗菌活性的可透析的抗菌物质。Garcia-Bustos 等[30]首次确定了其中活性成分Microncin C (见图5，化合物14)分子中包含有7肽结构，对部分革兰阴性菌表现出了一定的抑菌活性，包括沙门氏属、克雷伯属、埃希氏菌属等。研究发现此化合物利用7肽链的木马策略，通过敏感菌株的YejABEF基因编码的内膜ABC转运系统进入细胞内，在氨肽酶的作用下分解为天门冬氨酰-腺苷类似物，起到抑制天门冬氨酰-tRNA合成酶的作用。Vondenhoff等[31]利用Microncin C的摄入机制，改变肽链上第7位氨基酸，开发了合成Microncin C 类似物的方法，并研究了此类化合物的转运机制，发现7位氨基酸对转运蛋白的识别具有重要影响，其中极性氨基酸如天门冬氨酸、赖氨酸时活性优于非极性氨基酸，另外7位为甘氨酸也表现出活性。此类似物的合成方法，为利用木马策略改善化合物的摄入提供了借鉴。

3.1.6 白霉素 白霉素 (见图5，化合物15) 是1947年Reynolds等[32]报道的从链霉菌属中发酵分离得到的抗生素，目前已发现了3种成分δ1、δ2、ε[33]，为另一个通过木马策略进入细菌的氨酰-tRNA合成酶抑制剂，其通过连接的异羟肟酸铁载体进入细菌内部，水解释放出由硫取代的呋喃糖的腺苷类似物，研究发现其对苏氨酰-tRNA合成酶的抑制活性达到8 nmol·L-1。Paulsen等[34]研究发现其硫取代的糖的结构对活性至关重要，将其改为氧取代后活性消失。2018年Lin等[35]首次报道了白霉素的全合成，其中白霉素δ2对临床分离的肺炎链球菌的MIC值达到10 ng·mL-1，对临床分离金葡菌的MIC值为小于0.25 μg·mL-1。另外对大肠杆菌ATCC 25922 MIC值也达到0.25 μg·mL-1。

3.1.7 Ascamycin Ascamycin(见图5，化合物16)是由链霉菌属发酵产生的核苷类抗生素，1984年Isono等[36]首次报道了Ascamycin的分离及结构。Ascamycin分子中含有2-氯腺嘌呤结构，属于氨酰-腺苷类似物，研究发现其可选择性的抑制百叶枯病菌和柑橘溃疡病菌的苯丙氨酰-tRNA合成酶，而对大肠杆菌没有表现出活性。然而去丙氨酰Ascamycin除对上述两株菌具有抗菌活性外，对部分革兰阴性菌和阳性菌均表现出一定的活性，分析脱去丙胺酰基后，化合物能更好地透过细菌外膜从而表现出更广的抗菌谱[37]。

图5 微生物发酵来源的氨酰-tRNA合成酶抑制剂

3.2 氨酰-tRNA合成酶底物类似物 近些年来，通过模拟底物的方式进行氨酰-tRNA合成酶抑制剂的设计与发现也取得一定进展。酶底物氨基酸或中间体氨酰-腺苷类似物，由于结构相似性，可竞争性结合相应的氨酰-tRNA合成酶，从而表现出酶抑制及抗菌活性。由此许多非天然氨基酸及类似物，及氨酰-腺苷类似物成为潜在具有抗菌作用的化合物。

3.2.1 氨基酸类似物

3.2.1.1 呋喃霉素 呋喃霉素(见图6，化合物17)属于非天然的α氨基酸，1967年Katagiri等[38]报道其可竞争性的结合异亮氨酰-tRNA合成酶(IleRS)，从而具有抑制细菌生长的作用，在化学合成培养基条件下对副痢疾志贺菌、副伤寒沙门菌的MIC值为2～5 μg·mL-1，对枯草杆菌PCI219的MIC值为1 μg·mL-1，但在营养琼脂中测定却未表现出抗菌活性。

3.2.1.2 顺戊霉素 1989年Konishi等[39]报道了顺戊霉素(见图6，化合物18)为从蜡样芽孢杆菌发酵液中分离得到具有抗真菌活性的化合物，其结构为(1R,2S)-2-氨基环戊烷-1-羧酸，结构与脯氨酸类似，其可竞争性的结合脯氨酰-tRNA合成酶(ProRS)，从而起到抑菌作用，具有较好的抑制真菌的作用，其对临床分离的白色念珠菌的IC50及IC100浓度分别为6.3～12.5 μg·mL-1及6.3～50 μg·mL-1 [39-40]。

3.2.1.3 艾芬净喷 自从天然发酵产物顺戊霉素被发现具有抗真菌活性以后，德国的拜耳公司展开了对合成的环状的β-氨基酸衍生物抗真菌活性的研究[41]，其中艾芬净喷(见图6，化合物19)为抗菌活性最好的化合物，为抗真菌的异亮氨酰-tRNA合成酶(IleRS)抑制剂，其为特殊的β-氨基酸结构，1R,2S构型对其活性至关重要，其可通过特殊的支链氨基酸的渗透酶主动转运至白色念珠菌内，浓度可提高200倍，在菌体内通过抑制异亮氨酰-tRNA合成酶起到抑菌活性，对白色念珠菌BSMY212的MIC90值为2 μg·mL-1 [42]。

一些氨基酸类似物也具有抗生素的作用，例如硫代异亮氨酸(见图6，化合物20)、O-甲基苏氨酸(见图6，化合物21)，刀豆氨酸(见图6，化合物22)等，一方面通过竞争性的与氨酰-tRNA的结合，从而抑制正常蛋白质的合成，起到抑菌作用。另一方面由于它们被误合成入肽链，导致蛋白活性的减弱或消失[43]。

图6 模拟氨基酸底物的氨酰-tRNA合成酶抑制剂

3.2.2 氨酰-腺苷类似物 研究发现氨酰-腺苷中间体对酶的亲和力可达到nmol级，高于底物氨基酸和ATP2-3个数量级[44]，因此通过基于活性中间体氨酰-腺苷(aa-AMP)结构的理性设计，成了开发此靶点抑制剂的研究热点。

由于活性中间体氨酰-腺苷具有高能量的酰基-磷酸酯键，此类结构并不稳定，许多天然来源的aaRS抑制剂也将不稳定的酰基-磷酸酯linker替换成了稳定的结构，如Microcin C和Agrocin 84(见图7，化合物23)将酰基-磷酸酯(见图7，化合物24)替换为氨酰-磷酸酯，Ascamycin将酰基-磷酸酯替换为氨酰-磺酸酯键。

通过理性设计改造aa-AMP类似物，集中于提高此类化合物的化学稳定性、与靶蛋白的亲和力、体内的亲和力及选择性。目前许多研究已将aa-AMP分子中不稳定的酰基-磷酸酯键通过生物电子等排体替换为稳定的基团，如Bernier等[45]通过谷氨酰胺还原，然后与腺苷反应得到linker为氨烷基-磷酸酯的化合物，评价其对大肠杆菌谷氨酰胺-tRNA合成酶(GlnRS)的抑制剂活性，发现此化合物对谷氨酰胺的抑制常数为280 nmol·L-1。

Forrest等[46]合成了linker分别为氨烷基-磷酸酯(见图7，化合物25)和氨酰-磺酸酯的精氨酸、组氨酸和苏氨酸的腺苷类似物，并评价其对金葡菌相应氨酰-tRNA合成酶的抑制活性，发现两类linker的腺苷类似物对I类酶精氨酰-tRNA的IC50值达到7.5 nmol·L-1和4.5 nmol·L-1，对II类酶的活性氨酰-磺酸酯类优于氨烷基-磷酸酯。

Lee等[47]研究了腺苷与氨基酸间的linker为酯基(见图7，化合物26)和异羟肟酸基(见图7，化合物27)的氨酰-腺苷类似物对大肠杆菌蛋氨酰-tRNA合成酶与异亮氨酰-tRNA合成酶亲和力的影响，酯基linker对蛋氨酰-tRNA的IC50为3.6 μmol·L-1，优于对异亮氨酰-tRNA合成酶的亲和力。

此外linker结构分别为酰胺键[48](见图7，化合物28)、磺酰胺[49](见图7，化合物29)、氨基磺酸酯[50](见图7，化合物30)、N-羟基磺酰胺[51](见图7，化合物31) 、羟肟[47，52]等也相继被报道。

图7 氨酰-腺苷类似物结构

Brown等[50]建立了莫匹罗星与Ile-RS相互作用模型，通过研究发现氨基酸与糖linker的长短对蛋白的结合具有决定性的影响，改变linker的长度会明显降低亲和力；另外将连接的氧原子被亚甲基或氮原子取代也会影响负电荷密度从而大幅度降低亲和力。

2015年Gadakh等[44]通过改变腺苷与氨基酸linker的连接方式，省去了与糖连接的氧原子，将氨酰-磷酸酯变为氨酰-磺胺结构，提高了化合物的稳定性。其中化合物32 (见图8) 对大肠杆菌表现出一定的抑制活性，说明此类化合物可以透过细菌外膜，但由于氧原子省去，减少了与酶的相互作用，降低了亲和力。

此类氨酰-磺胺类结构被证明是对氨酰-tRNA合成酶有效的骨架，但因体内缺乏选择性而影响了此类化合物的应用。另外，由于此类结构化合物中腺苷3位的N容易与糖的5′位发生亲核反应，影响了此类结构的稳定性及后续开发研究。

2018年Zhang等[53]报道保留腺苷与氨基酸linker的氨基磺酸酯结构，改变碱基的母核结构，将碱基改为3位脱去氮原子的腺苷，避免了腺苷3位N的亲核副反应的发生，通过连接不同的氨基酸合成了一系列化合物33 (见图8) 对Ⅰ类和Ⅱ类的aaRS表现出不同的抑制活性，对Ⅰ类酶的亲和力明显优于Ⅱ 类酶。但此类化合物的抗菌活性并不理想。

图8 氨酰-腺苷类似物改造物结构式

虽然此类化合物在体外表现出了较好的酶抑制活性，但其抗菌活性往往不佳，可能是由于化合物透细菌外膜不佳引起。如何提高化合物的摄入，Microcin C和白霉素的木马策略为此类化合物的进一步改造提供了借鉴。另外此类结构对哺乳动物细胞与病原菌的选择性也是开发研究需要考虑的问题。

3.3 酶活或计算机辅助设计方式 通过酶活或计算机辅助设计得到针对此类靶点的苗头化合物，然后进行结构修饰得到抗菌活性的化合物也是一种研究开发策略。

2002年Jarvest等[54]报道，通过对酶活筛选得到了针对金葡菌蛋氨酰-tRNA合成酶(MetRS)抑制剂，其具有喹诺酮母核结构，但其对金葡菌未表现出抗菌活性，通过对苗头化合物的改造，得到了由喹诺酮通过丙二胺linker连接四氢喹啉结构化合物，化合物34、35(见图9)对酶的IC50值小于20 nmol·L-1，其中化合物34对31株金葡菌的MIC90值为0.5 μg·mL-1，另外对10株肠球菌的MIC90值为0.03 μg·mL-1，化合物35对金葡菌感染鼠腹股沟脓疮感染模型实验中，也表现了较好的抑菌活性，其静脉注射21 mg·kg-1给药剂量与静脉注射50 mg·kg-1的红霉素效果相当。

2004年Beyer等[55]报道了苯基-噻唑脲-磺胺类化合物36(见图9)对来自大肠杆菌、流感嗜血杆菌的苯丙氨酰-tRNA合成酶(phe-RS)的IC50值达到nmol水平，此外还具有良好的细菌和哺乳细胞选择性。其体外抗菌活性表现出了一定的苯丙氨酸依赖性，对缺乏苯丙氨酸的S.aureus、H.influenzae的MIC值为0.4 μg·mL-1；S.pneumoniae的MIC值为0.8 μg·mL-1。且肺炎双球菌的依赖性低于金葡菌，在S.pneumoniae感染的大鼠败血症模型的体内试验中，化合物36表现出了较好的抑菌效果。在注射给药100 mg·kg-1于S.pneumoniae感染的大鼠，在感染后0.5～3 h，肺、肾脏、脾脏的CFU下降2至3 log10单位。

2013年Teng 等[56]报道了基于结构设计的选择性细菌苏氨酰-tRNA合成酶抑制剂。以化合物与酶的共晶结构为指导，用氨基喹啉环连苯结构替代腺苷结构，发现能较好诱导酶的关闭构型。且与ser517缺乏氢键作用的化合物具有较好的原核细胞与真核细胞选择性。化合物的活性较先导物有较大的提高，其中化合物37(见图9)对流感嗜血杆菌的MIC为4 μg·mL-1，且对于外排泵敲除的大肠杆菌也表现出一定的活性。

呋喃酮类结构存在于许多天然产物及合成中，其中许多显示出抗氧化、抗炎症反应等活性，2011年Xiao等[57]报道了具有3-芳基-4-烷基胺呋喃酮结构的化合物对金葡菌ATCC25923、枯草杆菌ATCC6633及白色念珠菌ATCC10231具有一定的抑菌活性，其中化合物38(见图9)，对金葡菌的MIC50值为0.42 μg·mL-1，优于卡那霉素，通过酶活验证其对酪氨酰-tRNA合成酶具有较强的抑制作用，其IC50值为(0.12± 0.04)μmol·L-1。同年，Xiao等[58]又报道了3-芳基-4-芳氨基呋喃酮类化合物作为酪氨酰-tRNA合成酶抑制剂表现了一定的抑菌活性，化合物39(见图9)对金葡菌ATCC25923的MIC50值为0.06 μg·mL-1，对枯草杆菌ATCC6633的MIC50值为1.2 μg·mL-1。2013年Wang等[59]通过改变4位芳基与呋喃酮的linker，使呋喃酮类衍生物对部分革兰阴性菌表现出了一定的抑制作用，其中化合物40(见图9)对绿脓杆菌ATCC27853的MIC50值为1.5 μg·mL-1，大肠杆菌ATCC35218的MIC50值为4.3 μg·mL-1。分子对接验证此类化合物与细菌酪氨酰-tRNA合成酶具有很好结合。

2014年Sun等[60]报道了(萘亚甲基)噻吩酮类化合物，通过筛选其对金葡菌酪氨酰-tRNA合成酶的抑制活性，得到了IC50<20 μmol·L-1的化合物，通过筛选其对金葡菌ATCC25923、枯草杆菌ATCC6633及阴性菌铜绿假单胞ATCC13525，大肠杆菌ATCC 35218的活性，发现化合物41(见图9)对金葡菌具有较好的抑菌活性，MIC50值为0.21 μg·mL-1，对枯草杆菌的MIC50值为3.66 μg·mL-1，对革兰阴性菌未表现出抑菌活性。分子对接显示其与酪氨酰-tRNA合成酶具有很好结合，并提示在苯环上引入亲水性取代基可进一步提高亲和力。

图9 通过酶活筛选或计算机辅助设计得到的氨酰-tRNA合成酶抑制剂

4 结论

面对日益严峻的细菌耐药问题，临床迫切期望开发新靶点的抗菌药物，随着莫匹罗星及Tavaborole等的上市，证明氨酰-tRNA合成酶可作为抗感染药物的靶标。许多微生物发酵产物证明可通过抑制氨酰-tRNA合成酶而起到抗菌作用，为进一步的药物开发提供了结构丰富的化合物宝库。日益兴起的计算机虚拟筛选技术，为得到新的结构片段及理性设计提供了有力工具，提高了获得针对此类靶点新骨架化合物的效率。如何进一步提高天然发酵产物的抗菌活性，拓展抗菌谱；另外提高酶底物类似物的透膜性质及选择性；利用好虚拟筛选、计算机辅助设计等手段，指导活性片段发展为新骨架的抗感染药物，成为针对此靶点进一步研究开发的挑战。相信随着对原核生物氨酰-tRNA合成酶晶体结构功能研究的深入，新的研发技术和工具的应用，会有更多的针对此类靶点的抗感染药物上市。