Interactions of hydrolyzed β-lactams with the L1 metallo-β-lactamase: Crystallography supports stereoselective binding of cephem/carbapenem products

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dc.contributor.authorHinchliffe, Philip
dc.contributor.authorCalvopiña, Karina
dc.contributor.authorRabe, Patrick
dc.contributor.authorMojica, Maria F.
dc.contributor.authorSchofield, Christopher J.
dc.contributor.authorDmitrienko, Gary I.
dc.contributor.authorBonomo, Robert A.
dc.contributor.authorVila, Alejandro J.
dc.contributor.authorSpencer, James
dc.contributor.orcidMojica, Maria F. [0000-0002-1380-9824 ]
dc.contributor.orcidVila, Alejandro J. [0000-0002-7978-3233 ]
dc.date.accessioned2023-04-28T19:27:31Z
dc.date.available2023-04-28T19:27:31Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractL1 es una metalo-β-lactamasa (MBL) de dizinc subclase B3 que hidroliza la mayoría de los antibióticos β-lactámicos y es un determinante clave de resistencia en el patógeno Gram-negativo Stenotrophomonas maltophilia, una causa importante de infecciones nosocomiales en pacientes inmunocomprometidos. Los inhibidores de MBL no inhiben de manera útil L1 en ensayos clínicos, lo que subraya la necesidad de más estudios sobre la estructura y el mecanismo de L1. Describimos estudios cinéticos y estructuras cristalinas de L1 en complejo con β-lactámicos hidrolizados de las clases penam (mecilinam), cefem (cefoxitina/cefmetazol) y carbapenem (tebipenem, doripenem y panipenem). A pesar de las diferencias en sus estructuras, todos los productos derivados de β-lactámicos se unen por puente de hidrógeno a Tyr33, Ser221 y Ser225 y se estabilizan mediante interacciones con un bolsillo hidrofóbico conservado. Los productos carbapenémicos se modelaron como Δ1-iminas, con (2S)-estereoquímica. Su modo de unión está determinado por la presencia de un sustituyente 1β-metilo: el hidróxido puente de Zn interactúa con el grupo hidroxietilo C-6 (carbapenémicos que contienen 1β-hidrógeno) o es desplazado por el carboxilato C-6 (1β-metil -que contienen carbapenémicos). Inesperadamente, el producto de mecilinam es una N-formil amida reorganizada en lugar de ácido peniciloico, con el oxígeno de N-formilo interactuando con el hidróxido de puente de Zn. Los estudios de RMN implican que el reordenamiento de mecilinam puede ocurrir de forma no enzimática en solución. Los productos de imina derivados de Cephem se unen con estereoquímica (3R) y retienen sus grupos salientes 3', lo que probablemente representa puntos finales estables, en lugar de intermediarios, en la hidrólisis catalizada por MBL. Nuestras estructuras muestran la formación de complejos preferenciales por especies derivadas de carbapenem y cefem protonadas en las caras equivalentes (β) y, por lo tanto, identifican interacciones que estabilizan diversos antibióticos hidrolizados. Estos resultados pueden aprovecharse para desarrollar antibióticos e inhibidores de la β-lactamasa que formen complejos de larga duración con MBL de dicinco.spa
dc.description.abstractenglishL1 is a dizinc subclass B3 metallo-β-lactamase (MBL) that hydrolyzes most β-lactam antibiotics and is a key resistance determinant in the Gram-negative pathogen Stenotrophomonas maltophilia, an important cause of nosocomial infections in immunocompromised patients. L1 is not usefully inhibited by MBL inhibitors in clinical trials, underlying the need for further studies on L1 structure and mechanism. We describe kinetic studies and crystal structures of L1 in complex with hydrolyzed β-lactams from the penam (mecillinam), cephem (cefoxitin/cefmetazole), and carbapenem (tebipenem, doripenem, and panipenem) classes. Despite differences in their structures, all the β-lactam-derived products hydrogen bond to Tyr33, Ser221, and Ser225 and are stabilized by interactions with a conserved hydrophobic pocket. The carbapenem products were modeled as Δ1-imines, with (2S)-stereochemistry. Their binding mode is determined by the presence of a 1β-methyl substituent: the Zn-bridging hydroxide either interacts with the C-6 hydroxyethyl group (1β-hydrogen-containing carbapenems) or is displaced by the C-6 carboxylate (1β-methyl-containing carbapenems). Unexpectedly, the mecillinam product is a rearranged N-formyl amide rather than penicilloic acid, with the N-formyl oxygen interacting with the Zn-bridging hydroxide. NMR studies imply mecillinam rearrangement can occur nonenzymatically in solution. Cephem-derived imine products are bound with (3R)-stereochemistry and retain their 3′ leaving groups, likely representing stable endpoints, rather than intermediates, in MBL-catalyzed hydrolysis. Our structures show preferential complex formation by carbapenem- and cephem-derived species protonated on the equivalent (β) faces and so identify interactions that stabilize diverse hydrolyzed antibiotics. These results may be exploited in developing antibiotics, and β-lactamase inhibitors, that form long-lasting complexes with dizinc MBLs.eng
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.doihttps://doi.org/10.1016/j.jbc.2023.104606
dc.identifier.instnameinstname:Universidad El Bosquespa
dc.identifier.issn1083-351X
dc.identifier.reponamereponame:Repositorio Institucional Universidad El Bosquespa
dc.identifier.repourlrepourl:https://repositorio.unbosque.edu.co
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/20.500.12495/10340
dc.language.isoeng
dc.publisherElsevierspa
dc.publisher.journalJournal of Biological Chemistryspa
dc.relation.ispartofseriesJournal of Biological Chemistry, 1083-351X, 299, Número 5, Mayo de 2023, Número de artículo 104606spa
dc.relation.urihttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002192582300248X?via%3Dihub
dc.rightsAtribución 4.0 Internacional*
dc.rights.accessrightshttps://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.accessrightsinfo:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.accessrightsAcceso abierto
dc.rights.urihttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/*
dc.subjectMetalo β-lactamasaspa
dc.subjectResistencia a los antibióticosspa
dc.subjectβ-lactamaspa
dc.subjectCarbapenemspa
dc.subjectHidrólisisspa
dc.subjectRayos Xspa
dc.subjectCristalografíaspa
dc.subjectCarbapenemasa L1spa
dc.subject.keywordsMetallo β-lactamasespa
dc.subject.keywordsAntibiotic resistancespa
dc.subject.keywordsβ-lactamspa
dc.subject.keywordsCarbapenemspa
dc.subject.keywordsHydrolysisspa
dc.subject.keywordsX-rayspa
dc.subject.keywordsCrystallographyspa
dc.subject.keywordsL1 carbapenemasespa
dc.titleInteractions of hydrolyzed β-lactams with the L1 metallo-β-lactamase: Crystallography supports stereoselective binding of cephem/carbapenem productsspa
dc.title.translatedInteracciones de β-lactámicos hidrolizados con la metalo-β-lactamasa L1: la cristalografía respalda la unión estereoselectiva de productos de cefem/carbapenemspa
dc.type.coarhttps://purl.org/coar/resource_type/c_6501
dc.type.coarversionhttps://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.driverinfo:eu-repo/semantics/article
dc.type.hasversioninfo:eu-repo/semantics/publishedVersion
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