JACS | 单点突变重塑构象动态，NDM酶如何逃避抑制剂攻击？

当前，抗菌药物耐药性（AMR）是全球公共卫生的重大威胁，β- 内酰胺类抗生素（含碳青霉烯类）的疗效正被细菌产生的β-内酰胺酶瓦解。其中，金属β-内酰胺酶（MBL）因能高效水解几乎所有β-内酰胺类抗生素，成为核心关注对象；2008 年发现的新德里金属β-内酰胺酶（NDM）更是“超级细菌”的关键毒力因子 ，其不仅高效水解碳青霉烯类抗生素，编码基因还可通过质粒跨物种传播，导致耐药性快速扩散。

更严峻的是，临床尚无针对 NDM 的有效抑制剂，且 NDM 正通过进化适应极端环境：临床占比超 50% 的 M154L 突变体，可将锌离子亲和力提升 10 倍，在锌缺乏环境中仍维持耐药活性，甚至耐受 EDTA、AMA等锌螯合剂。传统静态晶体结构研究难以捕捉 NDM 的构象动态，而这种动态恰是其耐药的关键，因此解析NDM构象变化规律、阐明M154L突变机制，成为开发抗耐药策略的核心需求。

近日，浙江大学黄丽文博士联合香港理工大学姚钟平团队、香港理工大学陈声团队、香港大学李学臣团队，在Journal of the American Chemical Society上发表了题为

Inhibitor-Dependent Tolerance of New Delhi Metallo-β-Lactamase Driven by Single Mutation-Induced Conformational Changes

研究团队分析了NDM-1及其M154L变异体在四种不同抑制剂（L/D-卡托普利、D-卡托普利、Ebselen和AMA）存在下的构象动态，获得了近乎完全的序列覆盖度。通过比较野生型和突变体在不同状态下的氘交换速率，绘制了精细的构象动态图谱。

研究首先解析了野生型 NDM-1 的基础构象特征，野生型NDM-1呈典型αβ/βα折叠结构，活性位点含5个活性位点环（ASL1-ASL5）。HDX-MS数据显示，N端αβ结构域氘摄取率低（构象刚性高），C端βα结构域氘摄取率高（灵活性高）——参与锌配位的ASL2（含H120、H122）、ASL3（含H189）因需维持锌结合稳定性而刚性高，负责底物结合的ASL4（210-228位）、ASL5（248-255位）因适配底物而灵活性高，这一特征与晶体结构B因子（反映原子热运动）完全吻合，证实构象动态与功能的一致性。

明确野生型基础构象后，研究团队进一步对比了两类不同机制抑制剂对 NDM 构象的调控差异，以揭示抑制剂作用与构象响应的关联：锌插入剂L/D-卡托普利均使ASL1、ASL4氘摄取率降低，ASL2、ASL5氘摄取率升高；而D-卡托普利结合后，α3-L8区域与C端氘摄取率更低，无L-卡托普利的“瞬时构象波动”，这解释了其更强的抑制活性。

随后，研究转向锌螯合剂（AMA）与共价抑制剂（Ebselen）的构象影响，这类抑制剂均通过剥离 Zn2 发挥作用，其诱导的构象变化与锌插入剂形成鲜明对比：HDX-MS 数据显示，AMA与Ebselen均使 NDM 从 “双锌态” 转为 “单锌态”，但与卡托普利不同，二者均导致L8-β9-ASL3区域氘摄取率显著降低；Ebselen因共价结合，构象变化幅度大于AMA，进一步稳定单锌态构象，这一结果也被MD模拟验证——Zn2剥离后ASL4/5波动增大（灵活性提升），ASL3波动减小（刚性增强）。

图1. M154L突变诱导锌离子耐受的构象动态机制示意图

最后，研究聚焦临床高频的 M154L 突变，探究其如何通过构象重塑实现耐药：突变后NDM整体氘摄取率降低，热稳定性提升；关键变化在α3-L8区域——突变后该区域氘摄取率升高，类似单锌活性位点的B2型MBL，可补偿锌缺乏导致的活性损失；同时ASL4灵活性下降，与催化速率降低（kcat从1000s⁻¹降至780s⁻¹）直接关联。

图2. NDM-1在M154L突变时的差异HDX-MS

基于上述发现，研究提出NDM四状态构象模型（图3c）：状态I（活性双锌态，锌充足时野生型高效水解抗生素）、状态II（无活性单锌态，锌缺乏时野生型构象紊乱、对抑制剂敏感）、状态III（突变体活性单锌态，M154L突变体锌缺乏时仍稳定活性位点）、状态IV（突变体锌剥离活性态，Zn2被螯合后，突变体通过α3-L8-β9构象重排维持稳定）。主成分分析（PCA，图3a-b）进一步验证：“L/D-卡托普利结合态”聚类不受突变影响，“AMA/Ebselen结合态”因突变显著分离，证实突变对锌依赖型抑制剂的特异性耐药。

图3. NDM 构象变化的聚类与耐药模型

该研究首次从构象动态学角度揭示了NDM的进化适应机制，打破了"锌剥夺必然导致结构不稳定"的传统认知。研究提出的靶向α3–L8区域的构象导向抑制剂设计策略，不仅为对抗NDM提供了新方向，也为应对金属依赖性耐药性开辟了新途径。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c05669

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【非原创文章】本文著作权归文章作者所有，欢迎个人转发分享，未经作者的允许禁止转载，作者拥有所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！