科学网—西南大学马航、叶小利团队|揭示幽门螺杆菌的脲酶催化特征-Taylor&Francis学术服务的博文
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2026-5-20 10:05
| 个人分类: 医药健康 | 系统分类: 论文交流
The functional and catalytic landscape of urease reveals a conserved target against Helicobacter pylori
作者： Qiang Song, Huimin Wu, Zhengcai Ma, Ting Huang, Xinhu Zhu, Zhipeng Zhang, Guicheng Wu, Rakia Manzoor, Shiyu Liu, Ye Wang, Xuegang Li, Wenjin Zhang* , Xiaoli Ye* & Hang Ma*
DOI： 10.1080/21505594.2025.2605385
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研究成果 全球近半数人口感染了幽门螺杆菌（H. pylori），大量治疗H. pylori的抗生素使用导致了严重的抗菌素耐药性和肠道菌群意外耗竭。因此，迫切需要开发新的替代性可改善现状治疗的药物。鉴于此， 西南大学黄连中心马航、叶小利团队 以黄连生物碱中的表小檗碱靶向幽门螺杆菌脲酶为研究对象，采用全面的深度突变扫描结合基于噬菌体的功能筛选，系统地评估了核心残基的点突变如何影响脲酶的表达、酶活性、细菌定植和毒力，揭示了幽门螺杆菌脲酶的催化特性。同时发现靶向脲酶不仅可有效根除幽门螺杆菌，还可以协同提高抗生素的疗效。值得注意的是，将脲酶抑制剂纳入基于抗生素的治疗方案中，可有效保护肠道菌群多样性和微生物基因组稳定性，从而降低抗生素耐药性的风险。
一、脲酶抑制剂不易耐药及丙氨酸扫描突变
为了突破幽门螺杆菌耐药问题，我们进行了传统抗生素和表小檗碱的连续耐药培养。发现，表小檗碱不易耐药，而在传统抗生素甲硝唑与左氧氟沙星极易耐药。细菌耐药的主要机制包括：靶基因突变、外排泵系统、细胞膜通透性、生物膜形成及酶灭活作用等。我们发现脲酶抑制剂的低水平耐药并非由基因突变导致，而更可能源于外排系统改变、细胞膜通透性变化等非遗传性因素。
随后本研究采用丙氨酸扫描突变策略解析脲酶的结构–功能关系。选取了脲酶活性中心10Å范围内的58个氨基酸进行定点突变，结果表明脲酶的大多数点突变会导致脲酶功能受损，包括脲酶活性、幽门螺杆菌生长和定植。
二、脲酶抑制剂及协同作用
随后分析了30 种已知脲酶抑制剂与脲酶的结合位点，发现大部分的高频结合位点均为催化活性必需位点，表明多数脲酶抑制剂通过阻断酶催化活性发挥作用。通过生物素-链霉亲和素系统成功富集脲酶蛋白，验证脲酶抑制剂与脲酶亲和力。随后我们分析了脲酶脲酶抑制剂结合位点与突变热点的空间分布，与抑制剂结合位点不同，突变热点深埋于蛋白内部、靠近催化口袋，而非暴露在催化口袋表面。为全面评估突变对脲酶功能及耐药性的影响，我们构建噬菌体展示文库对可能影响脲酶活性的位点进行随机突变系统分析（突变候选位点包括镍离子结合位点、底物结合位点及口袋表面位点）。鉴定出7 个在低 pH 胁迫下突变频率极高的突变热点：F273、G279、G280、S299、T300、M317、I318。利用生物素标记的 EPI 探针对突变文库进行梯度洗脱，发现A169、D223、R338 位点突变与 EPI 结合作用最强，这些位点对幽门螺杆菌在酸性环境中的增殖、定植及脲酶活性均至关重要，揭示了脲酶天然具备抵御突变介导耐药性产生的内在机制。
本研究在体外和体内同时证实了脲酶抑制剂与抗生素可联合使用对幽门螺杆菌感染治疗存在协同作用。联合用药可降低临床标准用药剂量，从而间接减缓抗生素耐药性的产生。目前临床用于幽门螺杆菌治疗的抗生素多为广谱抗生素，在根除幽门螺杆菌的同时，会破坏肠道菌群稳态。而脲酶抑制剂对菌群多样性没有显著影响，同时联合治疗可部分恢复菌群多样性。脲酶抑制剂及联合治疗还能降低许多耐药基因的表达，降低基因的突变频率，以上结果表明脲酶抑制剂与抗生联合使用可有效抑制肠道菌群中抗生素诱导的耐药突变产生。
以上研究成果以 “The functional and catalytic landscape of urease reveals a conserved target against Helicobacter pylori” 为题，于发表在Taylor & Francis旗下 Gut microbes 期刊。2022级博士生宋强第一作者，马航教授和叶小利教授为共同通讯作者。此工作得到了国家自然科学基金、重庆市中医药创新团队建设项目，重庆市巴渝岐黄学者支持项目，西南大学青年团队专项基金等项目资助。
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