論文DOI：10.1021/jacs.5c05669
近期，香港理工大學姚鐘平團隊聯(lián)合浙江大學黃麗文博士（原香港理工大學姚鐘平團隊博士生）、香港理工大學陳聲團隊、香港大學李學臣團隊通過氫氘交換質(zhì)譜（HDX-MS）、分子動力學模擬（MD）和功能實驗，系統(tǒng)研究了NDM及其M154L突變體的構(gòu)象動態(tài)與耐藥機制。研究揭示了該突變通過調(diào)控α3–L8–β9區(qū)域的構(gòu)象靈活性增強酶在鋅稀缺環(huán)境下的穩(wěn)定性，還首次提出該區(qū)域作為變構(gòu)調(diào)控中心的重要角色，為克服耐藥性問題提供了新的靶點和設計思路。新德里金屬β-內(nèi)酰胺酶（NDM）的廣泛傳播性和強水解能力使其對碳青霉烯類等新一代抗生素表現(xiàn)出顯著耐藥性，成為全球抗感染治療的嚴重威脅。由于NDM活躍的基因水平轉(zhuǎn)移能力和快速進化特性，其變異株在全球范圍內(nèi)擴散，如臨床檢出率超過50% 的 M154L 突變體。該變體通過增強鋅離子親和力和熱穩(wěn)定性，在鋅離子匱乏環(huán)境下仍能維持耐藥性，且對現(xiàn)有鋅螯合類抑制劑（如曲霉明A，AMA）產(chǎn)生顯著耐受，而其分子機制尚未明確。a）多維技術聯(lián)用：整合HDX-MS、分子動力學模擬和功能實驗，在溶液環(huán)境中捕捉NDM及其突變體的構(gòu)象動態(tài)。b）發(fā)現(xiàn)隱藏變構(gòu)區(qū)域：揭示α3–L8–β9區(qū)域作為構(gòu)象調(diào)控樞紐，響應不同抑制劑并引導全局結(jié)構(gòu)變化。c）突變體機制闡釋：闡明M154L突變通過提高區(qū)域柔性、優(yōu)化鋅離子結(jié)合，實現(xiàn)在低鋅環(huán)境下的功能維持。d）提出靶向策略：指出該區(qū)域可作為新型抑制劑的理想靶點，推動構(gòu)象導向的藥物設計。研究發(fā)現(xiàn)，不同機制的抑制劑（L/D卡托普利、依布硒、AMA）與NDM結(jié)合時，均會誘導α3-L8-β8區(qū)域發(fā)生顯著的動態(tài)擾動，揭示該區(qū)域可能是此前未被識別的隱性變構(gòu)位點。圖1. 不同抑制劑與NDM及其變異體結(jié)合模式的PCA圖值得注意的是，M154L突變位點正落在此區(qū)域。該突變可使α3-L8及活性位點環(huán)（ASL）區(qū)域的氘代保護增強，從而有利于在鋅離子匱乏環(huán)境下維持酶的活性構(gòu)象。該研究還發(fā)現(xiàn)重塑α3-L8區(qū)域的構(gòu)象柔性并不顯著改變卡托普利結(jié)合引起的構(gòu)象變化，但對鋅離子相關抑制劑（如AMA和依布硒）呈現(xiàn)出截然相反的構(gòu)象差異。結(jié)合計算機模擬和功能實驗，研究結(jié)果確證了M154L突變與改變NDM對鋅離子依賴具有直接關聯(lián)，并揭示了E152位點氫鍵網(wǎng)絡的關鍵作用。圖2 | M154L突變誘導鋅離子耐受的構(gòu)象動態(tài)機制示意圖綜上所述，本研究綜合采用氫氘交換質(zhì)譜、分子動力學模擬及功能實驗，分析了三種不同抑制模式下金屬β-內(nèi)酰胺酶的動態(tài)構(gòu)象，發(fā)現(xiàn)了其在進化過程中與抗生素耐藥與鋅離子耐受相關的潛在位點。該突破挑戰(zhàn)了“突變僅優(yōu)化活性中心”的傳統(tǒng)認知，揭示“構(gòu)象選擇”是耐藥性進化的重要機制，也闡釋了該酶在進化過程中產(chǎn)生耐藥性的調(diào)控機制，為克服細菌耐藥性提供了新的藥物設計思路。黃麗文，男，浙江大學金華研究院項目經(jīng)理，金華質(zhì)科生物技術有限責任公司創(chuàng)始人。2015年畢業(yè)于浙江大學藥學院，2020年在香港理工大學獲得博士學位。2022年底全職加入浙江大學金華研究院轉(zhuǎn)化藥學創(chuàng)制中心，是浙江大學與浙江大學金華研究院聯(lián)合培養(yǎng)的博士后。獲國家博士后海外引才專項、浙江省海外引進高層次青年人才、金華市“雙龍”領軍人才等項目資助。主持國家自然科學（青年）基金一項。2023年3月創(chuàng)辦金華質(zhì)科生物技術有限責任公司，專注于氫氘交換質(zhì)譜技術的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。研究方向包括蛋白質(zhì)氫氘交換質(zhì)譜及其在蛋白質(zhì)相互作用、藥物發(fā)現(xiàn)和質(zhì)量評價等方面的應用。以第一作者身份在JACS、JBC、RCM等雜志發(fā)表研究論文。
