抗生素的发现彻底改变了现代医学，但随之而来的抗生素耐药性（AMR）已成为全球公共卫生的主要威胁之一，预计到2050年，每年可能导致高达820万人死亡。开发具有全新作用机制的新型抗生素变得日益困难，失败率高达95%，成本数以亿计。在这种背景下，靶向蛋白降解（TPD）技术，特别是已在癌症、神经退行性疾病等领域取得成功的蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs），为抗菌药物研发带来了革命性的新思路。
从真核到原核：概念移植的挑战
PROTACs是一种异双功能分子，一端结合目标蛋白（POI），另一端募集E3泛素连接酶，通过给目标蛋白加上多聚泛素链标记，引导其被蛋白酶体降解。然而，将这一“神奇”技术从真核细胞“移植”到细菌世界，面临着根本性差异。绝大多数细菌（除了放线菌）缺乏泛素-蛋白酶体系统。它们依赖一套保守的降解性蛋白酶复合体来维持蛋白质组稳态和质量控制，主要包括：其中的核心成员是酪蛋白水解蛋白酶P（ClpP）、Lon、FtsH、HslUV、HtrA（DegP）和Tsp。这些复合体通常由提供能量的ATP酶和解聚酶，以及负责肽键水解的蛋白水解结构域组成。例如，被广泛研究的ClpP是一种ATP依赖性丝氨酸蛋白酶，其经典催化三联体为Asp-His-Ser。它自身可形成十聚体，并与ClpX、ClpA或ClpC等AAA+解聚酶协同工作，后者负责识别降解信号（降解决定子，degron）并展开蛋白质底物，然后将其转位到ClpP的腔室中进行降解。
细菌的降解决定子与真核细胞的多聚泛素化信号不同，通常是位于靶蛋白N端或C端的短肽或特定修饰。一个著名的例子是ssrA标签（一个11个残基的肽段AANDENYALAA），它能将蛋白质导向ClpXP复合物进行降解。另一个关键发现是，磷酸化精氨酸（pArg）残基在革兰氏阳性菌和分枝杆菌中可作为降解信号，被ClpC的N端结构域（ClpCNTD）高度特异性地识别。这些对细菌蛋白质降解机制，特别是对降解信号识别过程的深入理解，为设计能够“劫持”该系统的异双功能分子奠定了基础。
BacPROTACs的诞生与发展
尽管PROTACs在人类疾病领域发展迅速，但将其应用于抗菌药物发现的尝试在2022年之前仍十分有限。早期的概念验证包括将疏水标签与甲氧苄啶（一种二氢叶酸还原酶DHFR抑制剂）结合，成功在E. coli中诱导了DHFR的降解。然而，真正的突破来自于Morreale等人开创性的工作，他们设计了被称为BacPROTACs的异双功能小分子，能够重新编程细菌的Clp蛋白酶，以降解革兰氏阳性菌和分枝杆菌中的特定蛋白质。
第一代BacPROTACs：以pArg为“钩子”
作为概念验证，研究人员首先以单体链霉亲和素（mSA）为模型蛋白，设计了一个双功能分子1。这个分子的一端是模拟细菌降解标签的pArg，另一端是链霉亲和素的特定配体生物素，两者通过一个连接子相连。化合物1能在Bacillus subtilis中诱导mSA降解，证明了这一策略的可行性。有趣的是，与真核PROTACs不同，连接子长度对降解效率的影响并不显著。
第二代BacPROTACs：优化与拓展
然而，pArg存在化学稳定性差、难以穿透细菌细胞壁等局限。于是，研究人员开发了“第二代”BacPROTACs，用环孢霉素A（CymA）替代了pArg。CymA是一种能穿透细胞膜的ClpC1NTD导向抗生素。基于CymA类似物sCym-1设计的BacPROTAC 2，成功降解了mSA。为了进一步展示该平台的通用性，研究人员又设计了以CymA类似物为降解“钩子”、以经典溴结构域抑制剂JQ1为靶蛋白（POI）募集元件的BacPROTAC 3。该分子能在1 μM浓度下，在Mycobacterium smegmatis中选择性降解BRDTBD1蛋白。
更重要的是，BacPROTAC 3 被证明能够降解与抗生素耐药性相关的蛋白质。例如，它能降解D-丙氨酰丙氨酸合酶（DdlA），该酶的过表达与M. smegmatis对D-环丝氨酸（DSC）的耐药性相关，而BacPROTAC 3的处理完全恢复了细菌对DSC的敏感性。它还能降解苏氨酸合酶（ThrC），导致细菌出现营养缺陷型表型。这些结果表明，BacPROTACs技术有潜力通过降解耐药因子来恢复抗生素的效力。
Homo-BacPROTACs：同时“消灭”目标与“守卫”
随后的研究进一步深化了这一策略。Clausen等人利用CymA的类似物脱氧环孢霉素C（dCym），开发了极为高效的Homo-BacPROTACs来杀灭结核分枝杆菌（Mtb）。这些分子含有两个dCym头部，具有双重功能：一方面诱导ClpC1降解，另一方面靶向并消除其“守卫”蛋白ClpC2（后者会在抗生素压力下上调以保护ClpC1）。这种“双管齐下”的策略使得Homo-BacPROTACs（如化合物4和5）抑制Mtb生长的效力比天然单体环肽提高了约100倍。
靶向其他蛋白酶：扩展降解工具箱
BacPROTACs的应用不限于ClpC/P系统。最近，一类新的BacPROTACs被开发出来，通过重定向ClpXP蛋白酶复合物来降解CTX-M-14 β-内酰胺酶。CTX-M-14是一种能赋予细菌对青霉素和头孢菌素类抗生素耐药性的超广谱β-内酰胺酶。研究人员将已知的β-内酰胺酶抑制剂那西巴坦（nacubactam）与一个降解决定子（ssrA标签）通过连接子共价连接，得到了化合物NacssrA-1。该化合物能在E. coli中有效降解工程化的CTX-M-14，并使因过表达此酶而对头孢噻肟耐药的细菌重新敏感化，而那西巴坦单独使用则无法实现此效果。这凸显了BacPROTAC技术在克服细菌耐药性方面的巨大潜力。
前景与挑战
BacPROTACs为应对AMR威胁带来了令人兴奋的新可能性。它们作用机制独特，有望靶向传统认为“不可成药”的蛋白，回收已失效的旧分子，并为联合疗法开辟新途径。鉴于原核生物在降解决定子和蛋白水解机器方面的巨大多样性，潜在靶点几乎是无限的。这使设计具有特定活性谱的BacPROTACs成为可能，例如选择性降解宿主特异性细菌蛋白（保护健康微生物群），或降解驱动耐药性或毒力的因子（如生物膜形成）。
然而，这条道路也布满挑战。细菌细胞壁，特别是革兰氏阴性菌的外膜，可能严重限制BacPROTACs的细胞通透性和摄取。这类分子通常具有高分子量、较多氢键供体/受体、大极性表面积和低溶解度等类药性问题，这对其开发提出了更高要求。此外，还必须考虑这些化合物对真核细胞和宿主的潜在影响，例如CymA具有显著的体内外抗炎活性，而ClpP也存在于线粒体中。因此，寻找更多原核生物特异性的蛋白酶组件作为“钩子”至关重要。
未来，类似于真核PROTACs的发展轨迹——从发现沙利度胺类药物可募集CRBN E3连接酶开始实现爆发——发现能够募集Clp及其他细菌降解系统的非肽/拟肽小分子，可能成为BacPROTACs发展的转折点。除了Clp，靶向其他蛋白酶（如Lon，其自身具备完整功能）也至关重要。
总之，BacPROTACs代表了一种开创性的抗菌策略，有潜力催生出能够有效应对日益严峻的AMR威胁的、强效、选择性高的下一代抗生素。尽管前路仍有障碍，但它无疑为药物化学家打开了充满机遇的新视野，从识别新靶点到设计先导化合物，直至最终发现临床候选药物。
