导师介绍/PI Info

冯欣欣博士

2005.9-2009.6 南京大学化学系，本科
2009.8-2010.12 美国伊利诺伊大学（香槟校区）化学系 (导师：Prof. Roman Boulatov)
2011.1-2014.5 美国伊利诺伊大学（香槟校区）化学系 (导师：Prof. Eric Oldfield)
2014.5-2016.8 美国伊利诺伊大学（香槟校区）化学系，博士后 (导师：Prof. Eric Oldfield)
2014.5-2017.8 GlucoSentient, Inc.，研发科学家
2017.9 入职湖南大学化学系，化学生物学与纳米医学研究所

近六年来，冯欣欣博士依托Oldfield研究课题的大方向，以研究聚异戊二烯基转移酶(polyprenyl transferases)的结构和功能，以及开发新型抗生素为工作重点，从2012年至今，共计发表论文17篇，其中（共同）第一作者论文7篇（Proc. Natl. Acad. Sci. USA，J. Am. Chem. Soc.，J. Med. Chem.，Sci. Rep.，Chem. Biol. 等）。这些工作成果对聚异戊二烯基转移酶的机理研究及其抑制剂的理性设计提供了重要的结构依据，并且对以“多靶向”为基础的新型抵抗药性抗生素的发展奠定了理论和实践基础，因此受到了国内外同行的关注和重视。

在研究聚异戊二烯基转移酶的结构和功能这一领域：

冯欣欣博士共计研究了来自结核分枝杆菌、金黄葡萄球菌、枯草芽孢杆菌、大豆慢生根瘤菌、加纳链霉菌、长春花等的13个功能各异的转移酶以及合成酶。其中结核分枝杆菌的结核菌素/异结核菌素合成酶（Rv3378c）、顺式法呢基二磷酸合酶（cis-FPPS; Rv1086c）和顺式 – 十聚异戊二烯二磷酸合酶（cis-DPPS; Rv2361c）是重要的抗肺结核感染治疗的靶标；金黄葡萄球菌的和顺式 – 十一聚异戊二烯二磷酸合酶（cis-UPPS）是重要的金黄葡萄球菌感染的靶标；枯草芽孢杆菌的法尼醇合成酶（YisP）是其生物膜形成的必要酶；加纳链霉菌的默诺霉素合成中间酶（MoeO5，MoeN5）以及枯草芽孢杆菌、金黄葡萄球菌的庚磷酸甘油酯合成酶（PcrB）是改造默诺霉素生物合成的重要研究对象；慢生大豆根瘤菌贝壳杉烯合成酶（ent-kaurene Synthase）是研究萜烯合酶和环化酶结构、功能多样性的重要对象。

生物膜是由微生物细胞及其胞外基质所组成的惰性结构群落，其形成的分子机制对药物化学，临床实践和工业过程具有深远的影响。蛋白YisP在枯草芽孢杆菌的生物膜形成中是必需的，但是它的具体功能未知。冯欣欣博士确定YisP的结构，发现它与合成C30类异戊二烯的角鲨烯和脱氢角鲨烯合酶的结构非常类似。然而，YisP只有角鲨烯和脱氢鲨烯合酶中两个基本催化位点之一。冯欣欣博士还证明了YisP的功能是磷酸酶，将法尼基二磷酸转化为法尼醇。使用差示扫描量热法，冯欣欣博士进一步确认法尼醇改变和扩大了脂质的凝胶到液晶的转变温度，并且提出了法尼醇与脂质双层相互作用的导致脂质双层刚性增强的分子模型。这项研究为解释生物膜的形成过程，以及抑制生物膜产生提供了研究基础。

默诺霉素A是一种阻断细菌细胞壁生物合成的磷酸糖脂抗生素，具有较差的药代动力学特征。 MoeO5和MoeN5催化默诺霉素A生物合成的起始步骤，因此被认为是改造默诺霉素A的生物合成的靶点。PcrB是MoeO5的结构同源物，其催化的反应与MoeO5接近但具有不同的底物特异性。冯欣欣博士以及其合作者确定了MoeO5和MoeN5的首个晶体结构，并研究了其与底物结合的模式，提出了新的作用机制。在这基础上，冯欣欣博士还解析了PcrB的结构，并通过蛋白定点诱变、结构比较和生物信息学工具，提出了PcrB和MoeO5在底物特异性差异方面的结构原因，这对改造MoeO5的底物选择性以及终产物默诺霉素的药代动力学特征有重要的参考意义。

冯欣欣博士报道了慢生大豆根瘤菌贝壳杉烯合成酶（ent-kaurene Synthase）的首个结构，以及蛋白定点突变的实验结果，并且与多种萜烯合酶和环化酶的结构比较，这些数据提供了对贝壳杉烯合成酶催化活性的解释，并提出了植物萜烯环化酶在进化上的可能来源。

肺结核的致病菌结核分枝杆菌的细菌二萜合酶，结核菌素/异结核菌素合成酶（Rv3378c）参与结核分枝杆菌恶性因子（virulence factor）的生物合成，从而成为了抗恶性因子类（anti-virulence）抗感染治疗的靶标。冯欣欣博士通过动力学、蛋白定点诱变等实验对该合成酶进行了研究，提出并验证了其催化反应过程的重要机理。冯欣欣博士同时参与Rv3378c晶体结构研究，解析了包括与底物结合，以及与一个双膦酸盐抑制剂结合的三个蛋白晶体结构。这些蛋白结构对其抑制剂发展有重要的指导作用。此外，Rv3378c和结核分枝杆菌顺式 – 十聚异戊二烯二磷酸合酶（DPPS; Rv2361c）之间的局部和全局结构的相似性，因此存在发展同时抑制恶性因子形成（通过抑制Rv3378c）以及细胞壁生物合成（通过抑制Rv2361c）的抑制剂的可能性。在这项工作中，冯欣欣博士发现了一类双膦酸盐抑制剂具有上述“双靶标”的作用，从而为设计和优化“双靶标”抑制剂奠定了基础。

在以上Rv3378c和Rv2361c报告的基础上，冯欣欣博士进一步利用分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulation, MD）的方法，结合两者的蛋白晶体结构，寻找同时抑制结核分枝杆菌中三种类异戊二烯合酶Rv3378c、Rv2361c和Rv1086c的化合物。通过活性位点体积波动和主成分分析将这三种酶的MD结果与之前对十一聚异戊二烯基二磷酸合酶（UPPS）的结果进行比较分析，而后进行了针对这三种酶的抑制剂筛选，最终得到了对这些酶有半数致死量（IC50）为500 nM到20 μM的抑制剂，并且这个抑制剂对结核分枝杆菌的生长有很强的抑制作用。这项研究有力地验证了发展针对合成酶的“多靶向”抑制剂可能性。

在开发新型抗生素这一领域：

冯欣欣博士进一步将上述针对合成酶的“多靶向”抑制剂的理念扩展到包括细胞膜、生物能量转移等领域。冯欣欣博士首先发现了一些FDA批准的药物，尤其是亲脂性阳离子化合物，如clofazimine，clomiphene和bedaquiline对肺结核的致病菌结核分枝杆菌有抑制作用，并且这种抑制作用与这类化合物的解偶联活性（uncoupling activity）有所相关。在当今对新的抗生素的需求日益增长的情况下，靶向质子动力（PMF）的解偶联剂（uncoupler）代表了极具开发潜力的新型抗生素。这类抗生素直接作用于细胞膜，产生强烈的药物 – 膜相互作用，因此有望减低抗药性发生的频率。另外，由于这类化合物一般具有极性-非极性的分子结构，而聚异戊二烯生物合成常有这类结构的底物、中间物或产物，因此这类化合物很多也能作为聚异戊二烯生物合成的抑制剂。此种“多靶向”机理也有利于减低抗药性发生的频率。利用基于分子动力学的计算机筛选，冯欣欣博士同时发现了脑癌药物vacquinol抑制参与结核病恶性因子形成的合成酶，并且具有解偶联活性以及抑制结核分枝杆菌生长的活性。总体来说，以上结果对指导“多靶向”的结核分枝杆菌抑制剂的发展有重要的作用。这项研究被14个国际新闻网站报道，其中包括Technology.org，Medical News Today， ScienceDaily等。该报告在Altmetri上被评选为“高关注度”文章，其受关注度比98%同期发表的文章要高。

根据以上的研究，冯欣欣博士进一步发现了一系列化合物对结核分枝杆菌以及其他细菌，真菌和疟疾寄生虫具有很强的活性。这类化合物是新一代结核病药物SQ109的类似物。传统上SQ109的靶标被认为是参与细胞壁生物合成的MmpL3转运蛋白；但是该蛋白在一些细菌、寄生虫内并不存在，因此存在具有另外一些抑制机理的可能性。冯欣欣博士发现了这类化合物具有很强的解偶联活性，能够改变细菌内外的pH梯度以及膜电势，从而抑制细菌呼吸以及ATP生物合成。这些化合物还能抑制参与甲基萘醌生物合成和电子传输的酶。这种“多靶向”抑制的结果是这些化合物对结核分枝杆菌以及其他细菌，真菌和疟疾寄生虫产生有效抑制，并且自发耐药率非常低。同时由于人类中缺少其中几种靶标，因而这些化合物对人体细胞的毒性相对较低。因此，这一研究是开发针对质子动力、合成酶、转运蛋白等的“多靶向”、低耐药性抑制剂的一个成功例子。