氨基酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS）是一类古老的蛋白质家族，负责催化氨基酸与特定的tRNA的共价结合，为核糖体蛋白质合成工厂提供原料，在细胞的基本生命活动中发挥重要作用。近年来，细菌耐药性迅速发展，寻找新的药物靶点成为药物研发人员面临的紧迫问题，aaRS以其重要的生物学功能和进化过程中保守性和差异性并举的优势成为新型抗生素药物设计的理想靶点。因而，对病原微生物aaRS功能的研究将有助于新型抗菌素的研发。　　肺炎球菌和结核杆菌是威胁人类健康的两大重要致病菌，临床上耐青霉素的肺炎球菌和具有多种耐药性的结核分枝杆菌(Multi-drug resistant tuberculosis，MDR-TB)的分离，对针对这两种细菌性疾病的抗生素疗法提出了挑战。本研究以亮氨酰-tRNA合成酶(leucyl-tRNA synthetase，LeuRS)为对象，探讨了它在抗肺炎和抗结核药物开发方面的靶向性，为新型抗生素的研发提供前导化合物。　　利用大肠杆菌基因表达系统获得了高纯度和高产量的肺炎球菌以及结核杆菌LeuRS（SpLeuRS和MtbLeuRS），以及它们对应的底物tRNA Leu。通过优化影响酶促反应的温度、pH、Mg2+/ATP比例等因素，在国际上首次建立了这两种酶的有效研究体系。它们具有相似的催化效率，进一步地，比较分析了这两种酶的氨基酰化动力学和编校性质，揭示了不同酶的编校偏好性:SpLeuRS偏好依赖tRNA的转移后编校途径，而MtbLeuRS倾向于依赖tRNA的转移前编校机制，表明不同种属来源的LeuRS对编校方式的选择差异性很大，这也为开发专一性的LeuRS抑制剂提供了生化基础。　　以MtbLeuRS为研究对象揭示了C-末端延伸结构域（C-terminal domain，CTD）对维持氨基酰化和编校反应中LeuRS-tRNALeu相互作用的分子机制。借助天冬氨酸扫描和定点突变的方法，鉴定了CTD中对维持酶构象及酶与核酸相互作用的关键氨基酸残基;通过荧光滴定和酵母三杂交手段阐明了突变对酶与tRNA结合的影响;对CTD与酶主体部分的连接肽的柔性分析，发现单个氨基酸残基位点的脯氨酸突变能显著影响酶与tRNA的结合及酶的功能，揭示了CTD构象的灵活性在调节底物结合、氨基酰化及编校反应中LeuRS-tRNALeu相互作用的重要性，丰富了人们对酶与tRNA的精确识别在蛋白质合成第一步反应中的质量控制的认识。　　以SpLeuRS和MtbLeuRS为靶点，结合计算机辅助的药物设计手段和高通量筛选方法，对硼氧杂环化合物、硫脲化合物和商业化的天然产物组成的化合物库进行了酶抑制活性的检测。发现一个特异性靶向SpLeuRS编校结构域(SpLeuRS-CP1)的含硼化合物ZCL039，其对SpLeuRS和人胞质LeuRS活力的选择性抑制差别超过150倍。细胞水平上，检测到ZCL039对S.pneumoniae生长的最小抑菌浓度为5μg/ml，而它对人细胞没有显著的生长抑制。酶抑制动力学结果显示，ZCL039以tRNALeu反竞争性抑制剂的方式发挥作用。结合生物化学和结构生物学的方法，揭示出ZCL039采取一种被称为“硼氧诱捕tRNA”的机制与tRNA3’末端的模拟物AMP发生共价交联，从而将其锁定在SpLeuRS-CP1活性口袋。对真核LeuRS-CP1s与ZCL039的结构模拟结果表明，真核LeuRS的CP1口袋多出一段真核特有的插入I4ae，正好与ZCL039的衍生苯环存在空间位阻，暗示了ZCL039潜在的物种选择性。这些为进一步合理地优化ZCL039的结构，提高其抑制活性和专一性提供了支持。　　解析了MtbLeuRS-CP1与ZCL039的共晶结构，结果显示ZCL039的结合方式与在SpLeuRS-CP1中观察到的相似，这为以硼氧杂环化合物为基础的抗结核药物的研发提供了结构基础。以上研究结果表明，LeuRS可以作为专一性抗菌药物的理想设计靶点，硼氧杂环化合物在新型抗菌药物研发中具有广阔开发价值。