“该成果的近期应用是开发新型抗疟药物。这个项目展示了一种通过利用疟原虫本身的细胞产物，让其与自身功能进行对抗的方法来抑制疟疾的新策略。首先，针对恶性疟原虫的酪氨酸氨基酰 -tRNA 合成酶，我们已有很多实验数据表明，这个方向是可行的。目前，这个系列的化合物里已具备大量目标抗疟药物所必须的特性。只需提高口服生物利用度，就能进入药物研发的下一阶段。
此外，我们数据表明核苷类氨基磺酸盐，还能把疟原虫的其他氨酰 -tRNA 合成酶作为靶点。因此，我们也会通过其他酶的结构，来改变这类化合物的设计，从而把靶点导向另外几种酶。”墨尔本大学 Bio21 分子科学与生物技术研究所博士后谢成表示。
▲图 | 谢成（来源：谢成）
近日，其担任一作的论文发表在 Science 上。他表示，该研究不仅给抗疟药物的研发提供了新途径，并给小分子抑制剂领域提出了全新的作用机制。
据了解，疟原虫引起的感染性疾病，给全球贫穷地区带来了巨大负担。此外，抗微生物类药物耐药性的发展和扩散，也给人类健康和可持续发展构成重大威胁。
最近几年，青蒿素的耐药性已在非洲得到临床验证，同时非洲也是疟疾死亡最多的区域。因此，人类迫切需要具有新作用模式的抗疟新药物。
在此次研究里，研究团队旨在通过开发核苷氨基磺酸盐抑制剂、来作为抗感染药物，特别是作为抗疟药。ML 901，是他们开发出来的众多核苷类氨基磺酸盐中的其中一员。借助新型的“反应劫持”机制，该化合物能以特异性的方式，靶向疟疾寄生虫中的酪氨酸 tRNA 合成酶。
并且，这个种类的酶是疟原虫药物的新靶点，所以不太可能受到现有耐药机制的影响。另据悉，ML901 在疟疾小鼠模型中表现非常出色，展示出了单剂量的高效性。目前，该化合物系列处于 Hit-to-Lead 开发阶段。
此次成果还给小分子抑制剂的作用机制提供了新思路。相关数据表明，核苷类氨基磺酸盐可被用于抑制 Adenylate-forming enzyme 这一“大家族”里的酶，并且是通过从未被发现的“反应劫持”机制来抑制。
这一类型的化合物，能和被氨酰 -tRNA 合成酶催化形成的氨基酸 -tRNA 酯发生反应，进而产生化合物与氨基酸的偶联物。而对于氨酰 -tRNA 合成酶来说，这种偶联物可作为高效抑制剂，原因在于它模仿了这种酶的天然反应物-氨基酸腺苷酸。
在这样的机制中，具有肠道渗透性的、类似的“前体抑制剂”，可被作用到细胞内酶。然后，它可被转化为本身不具有渗透性的“抑制剂偶联物”。
这项发现意味着，人类将能开发出具有良好药代动力学特性的口服抑制剂。通过鉴定研究人员还发现，这种抑制机制并不是单一的存在，它还能和酪氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、丝氨酸、苏氨酸、甘氨酸、丙氨酸、赖氨酸和脯氨酸等氨基酸，形成具有强烈抑制作用的偶联物。因此，通过进一步的研究，还有望改进这类化合物，以将其靶向不同的酶。
近日，相关论文以《酪氨酸 tRNA 合成酶的反应劫持作为一种新的全生命周期抗疟策略》（Reaction hijacking of tyrosine tRNA synthetase as a new whole-of-life-cycle antimalarial strategy）为题，发表在 Science 上。
谢成担任第一作者，墨尔本大学分子科学与生物技术研究所教授莱恩· 蒂利（Leann Tilley）、武田开发中心美洲公司的科学家亚历山德拉·E· 古尔德（Alexandra E. Gould）担任共同通讯作者。
一位审稿人这样评价：“总的来说，这是一项令人兴奋的工作。这项成果表征了一种新的抑制机制，该策略通过针对 Adenylate-forming enzyme 作为靶点来用作药物治疗手段。作者通过实验得到了充分的数据，并提供了支持其靶标识别和机制阐明的证据。”
另一位审稿人评价道：“这篇论文让人感到兴奋，因为它展现了新药探索的三大支柱。其一，它提供了一个具有发展潜力治疗疟疾的共价亲核药物的例子。在化学层面上，这与此前人们专注于疟疾治疗的传统方法形成鲜明对比，（要知道）传统疗法侧重于用亲电共价抑制剂，去针对恶性疟原虫的半胱氨酸蛋白酶。
其二，作者扩展了氨基磺酸盐抑制剂的化学用途，以表明它们可以与酯类反应，而不仅仅是硫代酯。
其三，作者表明特定的化合物 ML 901 仅在恶性疟原虫的酪氨酸氨基酰 -tRNA 合成酶的作用下形成酪氨酸加合物，而不在人体自身的该种酶的影响下形成抑制剂。这解决了特异性问题，因为 ML 901 是一种前体药物，仅在恶性疟原虫感染细胞中转化为药物而不在健康细胞中产生。”
“学术界和工业界合作的典范”
据介绍，该研究起始于 2017 年。当时，位于美国波士顿的武田制药公司给墨大团队寄来了几个核苷类氨基磺酸盐的样本。彼时，尽管武田制药已有数据表明，这类化合物可能对恶行疟原虫有效果，但是他们不确定效果有多好，以及这类化合物的靶点是什么。
于是，双方就该课题展开合作，并将其中一个化合物 ML 901 作为研究样本。期间，对于抑制剂在消灭疟原虫上的效果，他们做以确认。其次，通过为期一年的抗性进化和基因编辑技术的确认，双方发现这个抑制剂针对恶性疟原虫的酪氨酸氨基酰 -tRNA 合成酶作为靶点具有特异性。
2019 年，墨大课题组与武田制药、以及另一合作方瑞士非营利机构 Medicines for Malaria Venture，收到了来自日本 Global Health Innovative Technology Fund 的资金支持，这让他们得以对可作为抗疟药物的抑制剂进行改进，并对其作用机制开展研究。
接下来两年里，武田制药的药物化学家设计出几十个类似 ML 901 的化合物，借此提高了这类抑制剂的效力、特异性和药代动力学特性。同时，墨大团队对恶性疟原虫和人类酪氨酸氨基酰 -tRNA 合成酶的重组蛋白，进行表达和纯化。并通过各种生物化学的化验方法，发现这类化合物能通过全新的“反应劫持”机制来抑制这类酶。
在结构生物的研究支持下，对于在酶作用下形成的酪氨酸 -ML 901 偶联物、抑制酶活性的机理，他们终于得以弄清。这些信息也都返回给武田制药的药物化学家们，以给他们在新抑制剂的设计上提供基础和数据。可以说，该项目的成功是学术界和工业界合作的典范。
打开研发新型抗生素的大门
此外，有证据表明，这些“反应劫持”抑制剂对细菌类生物也有活性。如今，由抗生素耐药细菌引起的感染越来越多，而这项发现打开了研发新型抗生素的大门。因此，研究人员能更广泛地利用这种机制，来抑制寄生虫和细菌氨酰 -tRNA 合成酶，要知道这些酶对病原体的存活至关重要。
下一阶段，他们将通过这种机制，来靶向此类细菌酶。然后，通过药物化学的研究，将望把几种核苷氨基磺酸盐类似物开发成抗菌药物。
除了抗生素类的应用外，这种新型抑制剂还有其他的巨大发展空间。它可被用于抑制其他 Adenylate-forming enzymes，这些酶在一系列生化途径中起关键作用，例如泛素样蛋白激活酶和脂肪酰基辅酶 A 合成酶。
另外，还可靶向参与不同代谢途径的酶，包括蛋白质翻译、天然产物生物合成、泛素活化和脂肪酸代谢等。因此，在癌症、神经退行性疾病和代谢综合征（如糖尿病）中，这些酶类的抑制剂具备潜在的应用。综上，这类化合物可通过改动和调整，来治疗多种疾病，并有希望给人类健康问题提供治疗途径。
据了解，谢成是浙江宁波人。本科就读于澳大利亚阿德莱德大学，后在悉尼大学取得荣誉学士学位，接着申请到墨尔本大学的奖学金，最终在该校获得博士学位。
读博期间，他的主要课题是研究青蒿素对恶性疟原虫的作用和耐药性原理分析。作为一线抗疟治疗用药，青蒿素正在“迅速”失去疗效，所以了解青蒿素耐药性的机制、并开发抗击耐药性的新型药物非常重要。
作为博士研究的一部分，谢成开发出一种在实验室通过模仿药物的临床表现、来对青蒿素类药物的测定方法。此外，他还揭示了可作为青蒿素激活剂的血红蛋白消化产物的关键作用，他发现即使在疟原虫发展的最初阶段，血红蛋白消化产物也承担着重要作用。而这是我们对血红蛋白消化和青蒿素作用的理解的巨大转变。
他的这项工作还证明了耐药性寄生虫表现出更强的处理药物性损伤的能力，并用数据证明这种反应涉及蛋白酶体，有助于处理错误折叠的蛋白质。
凭借这些贡献，2016 年谢成获得了澳大利亚生物化学与分子生物学学会颁发的 Fred Collins Award。
博后期间，他主要负责将基础研究成果转化为潜在抗疟药物的开发。自 2016 年起，其开始与日本武田制药公司、以及 Medicines for Malaria Venture 合作来验证蛋白酶体作为抗疟靶标，并从武田的化合物库中鉴定潜在的选择性抑制剂。
期间，他在澳洲墨尔本和美国波士顿两地工作，并在武田制药位于波士顿的实验室里，进行了高通量筛选。从中，他发现了新的能与青蒿素一起使用的疟原虫蛋白酶体抑制剂。目前该项目已进展到临床前的开发阶段，并已研究出一类新型具有口服功效的选择性化合物。相关论文已发表在 PNAS。
此外，他还帮助启动了与葛兰素史克制药公司的合作，并于 2018 年搬到西班牙马德里的葛兰素史克实验室进行了半年的研发工作。
其表示：“我在葛兰素史克重新建立了一套试验系统，并与当地同事一起从葛兰素史克的化合物库中测试了超过 50 万种化合物，鉴定出了几种新型疟原虫蛋白酶体抑制剂。”
除了药物研究，在基础科学方面，他还利用冷冻电镜展示了疟原虫的蛋白酶体与其激活蛋白的互相作用，相关论文发表在Nature Microbiology上。
鉴于这些成果，2021 年，谢成获得由亚洲和大洋洲生物化学家和分子生物学家联合会颁发的青年科学家奖 。对于此，他诚恳地表示：“这些奖项给予了我参加更多国际会议的机会并且提供了一个跟同行们分享研究成果的平台。”
目前，谢成尚未结束在墨大的博后研究，当下主要集中在新型抗感染药物的研发上，特别是抗疟药物。对于未来做学术、还是去业界，他表示：“希望在不远的将来我能把自己在学术研究中的这些经验和新发现应用到业界中，从而设计出高效的新型药物。”
参考资料：
1.Xie, S. C., Metcalfe, R. D., Dunn, E., Morton, C. J., Huang, S. C., Puhalovich, T., ... & Tilley, L. (2022). Reaction hijacking of tyrosine tRNA synthetase as a new whole-of-life-cycle antimalarial strategy. Science, 376(6597), 1074-1079.
