Structural basis of DNA gyrase inhibition by antibacterial QPT-1, anticancer drug etoposide and moxifloxacin

Pan F. Chan, Velupillai Srikannathasan, Jianzhong Huang, Haifeng Cui, Andrew P. Fosberry, Minghua Gu, Michael M. Hann, Martin Hibbs, Paul Homes, Karen Ingraham, Jason Pizzollo, Carol Shen, Anthony J. Shillings, Claus E. Spitzfaden, Robert Tanner, Andrew J. Theobald, Robert A. Stavenger, Benjamin D. Bax & Michael N. Gwynn

https://doi.org/10.1038/ncomms10048

Nat Commun 6, 10048 (2015)

1.   영문초록

New antibacterials are needed to tackle antibiotic-resistant bacteria. Type IIA topoisomerases (topo2As), the targets of fluoroquinolones, regulate DNA topology by creating transient double-strand DNA breaks. Here we report the first co-crystal structures of the antibacterial QPT-1 and the anticancer drug etoposide with Staphylococcus aureus DNA gyrase, showing binding at the same sites in the cleaved DNA as the fluoroquinolone moxifloxacin. Unlike moxifloxacin, QPT-1 and etoposide interact with conserved GyrB TOPRIM residues rationalizing why QPT-1 can overcome fluoroquinolone resistance. Our data show etoposide’s antibacterial activity is due to DNA gyrase inhibition and suggests other anticancer agents act similarly. Analysis of multiple DNA gyrase co-crystal structures, including asymmetric cleavage complexes, led to a ‘pair of swing-doors’ hypothesis in which the movement of one DNA segment regulates cleavage and religation of the second DNA duplex. This mechanism can explain QPT-1’s bacterial specificity. Structure-based strategies for developing topo2A antibacterials are suggested.

1.   한글초록

새로운 항생제가 항생제 내성 박테리아 문제를 해결하기 위해 필요함. 플루오로퀴놀론의 타깃인 IIA형 토포이소머라아제(Topo2A)는 일시적인 이중 가닥 DNA 절단을 통해 DNA의 구조를 조절함. 본 연구에서는 항생제 QPT-1과 항암제 에토포사이드가 황색포도상구균(Staphylococcus aureus) DNA 자이레이스에 결합한 최초의 공동 결정 구조를 보고하였으며, 이들이 DNA 절단 부위에서 플루오로퀴놀론인 모시플록사신과 동일한 부위에 결합함을 보여줌. 모시플록사신과 달리, QPT-1과 에토포사이드는 보존된 GyrB TOPRIM 잔류물과 상호작용하여 QPT-1이 플루오로퀴놀론 내성을 극복할 수 있음을 나타냄. 데이터는 에토포사이드의 항균 활성이 DNA 자이레이스 억제에 기인함을 보여주며, 다른 항암제들도 유사하게 작용할 가능성이 있음을 의미함. 여러 DNA 자이레이스 공동 결정 구조 분석, 특히 비대칭 절단 복합체 분석을 통해 한 DNA 구간의 움직임이 두 번째 DNA 이중 가닥의 절단 및 재결합을 조절하는 '쌍의 스윙 도어(pair of swing-doors)' 가설을 제안함. 이 메커니즘은 QPT-1의 박테리아 특이성을 설명할 수 있음. 이 논문은 topo2A 항생제 개발을 위한 구조 기반 전략을 제안함.

2. 내용요약

   
   

DNA gyrase & Topoisomerase IV (topo2As)세균의 DNA 위상 조절에 필수적인 효소로, 이중가닥 절단 → 다른 DNA 통과 → 재결합 과정을 반복함.플루오로퀴놀론 계열 항균제는 GyrA의 Ser84/Glu88 잔기와 Mg²⁺-water bridge를 통해 결합하여 DNA 재결합을 막음.그러나 임상에서 표적 돌연변이로 인한 내성 문제가 증가하고 있음.

QPT-1퀴놀린-피리미딘-트라이온 계열 신규 항균 후보물질로, 플루오로퀴놀론 내성균에도 활성.작용 기전 및 결합 양식은 이전까지 구조적으로 밝혀지지 않음.

Etoposide항암제(Top2A 저해제)지만 세균에 대한 활성이 관찰되었으며, 그 기전이 명확하지 않았음.

QPT-1, Etoposide, Moxifloxacin이 결합된 S. aureus DNA gyrase co-crystal 구조를 규명.

플루오로퀴놀론 내성 극복의 구조적 근거 제시.

항암제의 항균 활성 메커니즘 규명.

새로운 항균제 설계 전략 제안.

1. 공동결정 구조 규명

• QPT-1, etoposide, moxifloxacin이 모두 DNA 절단 부위(±1 염기 사이)에 결합해 DNA 재결합을 차단.

• QPT-1은 플루오로퀴놀론과 같은 위치에 결합하지만 GyrB TOPRIM 도메인 (Asp437, Arg458) 과 수소결합 → 내성 돌연변이의 영향 적음.

• Etoposide도 Asp437과 상호작용 → 세균 DNA gyrase 억제 능력 확인 (이전에는 인간 Top2b에만 보고됨).

2. 비대칭 DNA 게이트(conformation) 발견

• 두 개의 etoposide 분자가 결합한 구조에서 Casym (‘half-open’) 비대칭 DNA gate 상태 포착.

• 한쪽 active site만 열린 상태로 안정화 → 이중가닥 절단(DSB)뿐 아니라 단일가닥 절단(SSB)도 촉진 가능.

• 이는 ‘swing-door 모델’ 제안으로 이어짐:

  • T-DNA 통과 시 gate가 반쯤 열리고, 이 상태에서 두 번째 절단 발생 → 재결합 지연.

3. 생화학/생물학적 활성

• QPT-1: S. aureus DNA gyrase IC₅₀ ≈ 8.8 μM, MIC ≈ 0.5 μg/mL (플루오로퀴놀론 내성균에도 활성).

• Etoposide: 세균 topo2A에 결합해 DNA 복제 억제, 그러나 세포 독성은 상대적으로 낮음.

• Moxifloxacin: 가장 강력하지만 내성 문제 존재.

4. 구조 기반 약물 설계 시사점

• QPT-1 결합 포켓은 플루오로퀴놀론 C7 위치 치환기와 겹치는 공간 → scaffold hopping 가능성.

• QPT-1 계열은 사람 Top2a에 거의 활성 없음 → 높은 세균 선택성.

• QPT-1의 여러 tautomer와 결합 자세를 활용해 결합 포켓 움직임에도 안정적 상호작용 가능 → lead optimization에 활용 가능.

결론 및 의의

• 최초로 QPT-1-DNA gyrase 결합 구조와 etoposide의 세균 DNA gyrase 억제 구조 규명.

• 플루오로퀴놀론 내성 극복 가능성을 구조적 수준에서 설명.

• 항암제의 항균 효과가 실제로 DNA gyrase 억제에 기인함을 입증.

• 새로운 ‘swing-doors’ 모델 제안으로 DNA 게이트 개폐 메커니즘 재정의.

• 차세대 DNA gyrase 저해제 개발 및 scaffold hopping 전략에 중요한 설계 가이드라인 제공.

Schematics of S. aureus DNA gyrase cleavage complexes with inhibitors