氢氘交换质谱（HDX-MS）揭示金属β-内酰胺酶耐药性突变的调控机制
2025-12-09 来源:本站 点击次数:83发表时间：2025年7月21日
期刊：Journal of the American Chemical Society
论文题目：Inhibitor-Dependent Tolerance of New Delhi Metallo-β-Lactamase Driven by Single Mutation-Induced Conformational Changes
质科生物创始人黄丽文博士联合香港理工大学和香港大学研究团队在JACS发表重要文章，通过整合氢氘交换质谱（HDX-MS）、分子动力学（MD）模拟及功能实验，系统解析了NDM及其M154L突变体的动态构象与耐药性关联。相较于传统X射线晶体学仅能捕捉静态结构的局限，HDX-MS可灵敏反映生理条件下蛋白构象的柔性变化，为解析动态构象与功能研究提供关键手段。
关键问题
1、M154L这个远离活性位点的单点突变，如何赋予NDM耐受锌匮乏的能力？
2、不同作用机制的抑制剂（锌螯合 vs. 锌嵌入 vs. 共价结合）如何影响NDM的整体和局部构象动力学？
3、能否找到NDM动态构象中的关键弱点，指导新型抑制剂设计？
技术方案
核心技术HDX-MS
原理：通过监测蛋白骨架氢-氘交换速率，实时捕捉 溶液态下NDM的局部构象稳定性变化（交换快=灵活/暴露；交换慢=稳定/包埋）。
关键设计：
对比 野生型（M154） 与 突变体（L154）。
系统分析 10种状态：无配体 + 结合4类抑制剂（L/D-卡托普利、AMA、Ebselen）。
数据呈现：差异火山图、3D结构动态映射、热图/PCA聚类。
关键互补技术验证
分子动力学（MD）：模拟关键结合态（如Ebselen），验证HDX发现的动态区域（如α3-L8），揭示原子细节。
酶活/抗菌实验：证实突变体在锌匮乏下对AMA的耐药性，关联构象变化与功能。
天然质谱（nSEC-MS）：监测锌离子结合状态（单锌/双锌），解释抑制剂机制。
研究发现
1、α3-L8 区域：隐藏的变构调控中心
HDX-MS 数据显示，无论何种抑制剂，均会引起 NDM 的 α3-L8 区域显著的动态变化。该区域此前未被关注，却在构象适应中起关键作用，抑制剂结合后该区域的氘代保护模式表明其参与了长距离动态通讯。
2、M154L 突变的 “构象重编程”
突变体 M154L 在 α3-L8 区域呈现更高的构象稳定性，在锌离子匮乏时，该区域及活性位点环（ASL）的氘代保护增强，使酶在低锌环境下仍能维持活性，从而抵抗 AMA 和依布硒林的抑制。
3、HDX-MS 破解耐药的动态机制
通过对比不同抑制剂结合状态的 HDX 差异，发现 M154L 突变不影响卡托普利的结合动力学，却能特异性增强对锌螯合类抑制剂的耐受性，这与突变体中单核锌状态的构象稳定性提升相关。
研究证实，靶向 α3-L8 区域的构象调控是开发新型抑制剂的有效策略。HDX-MS 技术为解析蛋白质动态机制提供了强大工具，未来可广泛应用于抗生素耐药机制研究及精准药物设计，为应对 “超级细菌” 威胁开辟新路径。