氫氘交換質譜（HDX-MS）揭示金屬β-內酰胺酶耐藥性突變的調控機制

發表時間：2025年7月21日

期刊：Journal of the American Chemical Society

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

質科生物創始人黃麗文博士聯合香港理工大學和香港大學研究團隊在JACS發表重要文章，通過整合氫氘交換質譜（HDX-MS）、分子動力學（MD）模擬及功能實驗，系統解析了NDM及其M154L突變體的動態構象與耐藥性關聯。相較于傳統X射線晶體學僅能捕捉靜態結構的局限，HDX-MS可靈敏反映生理條件下蛋白構象的柔性變化，為解析動態構象與功能研究提供關鍵手段。

1、M154L這個遠離活性位點的單點突變，如何賦予NDM耐受鋅匱乏的能力？

2、不同作用機制的抑制劑（鋅螯合 vs. 鋅嵌入 vs. 共價結合）如何影響NDM的整體和局部構象動力學？

3、能否找到NDM動態構象中的關鍵弱點，指導新型抑制劑設計？

技術方案

核心技術HDX-MS

原理：通過監測蛋白骨架氫-氘交換速率，實時捕捉 溶液態下NDM的局部構象穩定性變化（交換快=靈活/暴露；交換慢=穩定/包埋）。

關鍵設計：

對比 野生型（M154） 與 突變體（L154）。

系統分析 10種狀態：無配體 + 結合4類抑制劑（L/D-卡托普利、AMA、Ebselen）。

數據呈現：差異火山圖、3D結構動態映射、熱圖/PCA聚類。

關鍵互補技術驗證

分子動力學（MD）：模擬關鍵結合態（如Ebselen），驗證HDX發現的動態區域（如α3-L8），揭示原子細節。

酶活/抗菌實驗：證實突變體在鋅匱乏下對AMA的耐藥性，關聯構象變化與功能。

天然質譜（nSEC-MS）：監測鋅離子結合狀態（單鋅/雙鋅），解釋抑制劑機制。

研究發現

1、α3-L8 區域：隱藏的變構調控中心

      HDX-MS 數據顯示，無論何種抑制劑，均會引起 NDM 的 α3-L8 區域顯著的動態變化。該區域此前未被關注，卻在構象適應中起關鍵作用，抑制劑結合后該區域的氘代保護模式表明其參與了長距離動態通訊。

2、M154L 突變的 “構象重編程”

      突變體 M154L 在 α3-L8 區域呈現更高的構象穩定性，在鋅離子匱乏時，該區域及活性位點環（ASL）的氘代保護增強，使酶在低鋅環境下仍能維持活性，從而抵抗 AMA 和依布硒林的抑制。

3、HDX-MS 破解耐藥的動態機制

      通過對比不同抑制劑結合狀態的 HDX 差異，發現 M154L 突變不影響卡托普利的結合動力學，卻能特異性增強對鋅螯合類抑制劑的耐受性，這與突變體中單核鋅狀態的構象穩定性提升相關。

         研究證實，靶向 α3-L8 區域的構象調控是開發新型抑制劑的有效策略。HDX-MS 技術為解析蛋白質動態機制提供了強大工具，未來可廣泛應用于抗生素耐藥機制研究及精準藥物設計，為應對 “超級細菌” 威脅開辟新路徑。