多药外排泵MexY的结构与机制研究：解析铜绿假单胞菌耐药性关键因素

本研究通过解析铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）多药外排泵MexY的冷冻电镜结构，揭示了其对氨基糖苷类抗生素的识别和外排机制，为开发新型抗菌策略提供了重要依据（MexY）。

　　铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）是一种具有高度耐药性的革兰氏阴性病原菌，属于ESKAPE（Enterococcus faecium, Staphylococcus aureus, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter species）菌群，是导致院内感染和危及生命的感染的主要原因之一。该菌的多药外排泵MexY属于抗性-结节-细胞分裂（RND）超家族，是介导其对氨基糖苷类抗生素耐药性的关键因素。然而，MexY识别和外排氨基糖苷类抗生素的分子机制尚未完全阐明。 本研究利用冷冻电镜技术，成功解析了MexY的结构，分辨率达到3.63 ?。结构显示，MexY形成同源三聚体，具有典型的疏水-两性外排（HAE）-RND膜蛋白的整体折叠。每个MexY原体包含12个跨膜（TM）螺旋（TM1–TM12）和由六个亚结构域（PN1、PN2、PC1、PC2、DN和DC）组成的周质结构域。在TM结构域中，特别是TM4和TM10，负责形成质子传递网络，将质子从周质传递到细胞质，产生质子动力（PMF）。在周质结构域中，PC1和PC2亚结构域形成的周质裂隙为底物结合提供了位点。结合PMF，该裂隙可以打开，允许底物进入泵中，从而从周质空间中挤出。 研究人员还发现，MexY的中央腔室顶部和周质裂隙都可能是抗生素的捕获位点。通过分子动力学（MD）和靶向MD模拟，研究揭示了底物通过MexY膜蛋白的详细运输路径。此外，研究还通过AutoDock Vina程序预测了抗生素在MexY三聚体中的潜在结合模式和药物-泵相互作用。结果表明，所有测试的抗生素（包括阿米卡星（Akn）、头孢吡肟（Cef）、红霉素（Ery）、链霉素（Str）和替加环素（T1c））都能在“外排”和“结合”原体的周质结构域中结合。在“外排”原体中，这些药物结合在中央腔室顶部的口袋和远离漏斗底部的口袋中；在“结合”原体中，这些药物聚集在入口药物结合位点和远端药物结合位点。 为了进一步阐明MexY的质子转移路径，研究人员使用Caver程序计算了TM结构域中可能的隧道，并进行了1 μs的MD模拟。结果表明，水分子能够进入TM结构域，并到达由D406、D407、K934、N935和T971等保守的带电和极性残基组成的簇，这些残基可能在形成质子转移网络中起关键作用。 综上所述，本研究通过解析MexY的结构和功能，揭示了其作为铜绿假单胞菌耐药性关键因素的分子机制，为开发针对该菌的新型抗菌策略提供了重要的结构基础和理论依据。