从构象动力学到结合亲和力：SARS-CoV-2刺突蛋白变体与ACE2结合机制的计算生物学研究

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：From Shadows to Clarity: A New Paradigm for Comprehensive Variant Detection in Undiagnosed Dystrophinopathy Using Combined Long-Read and RNA Sequencing

本研究针对蛋白质-蛋白质结合亲和力的分子决定因素，特别是构象熵贡献尚不明确的难题，以SARS-CoV-2刺突蛋白变体与人类ACE2受体相互作用为模型，通过分子动力学模拟比较了未结合与结合状态下蛋白的结构和动力学差异。研究发现，结合稳定性与未结合状态下蛋白的刚性及其与结合后构象的相似性相关，揭示了结合亲和力与构象动力学之间的内在联系，为理解蛋白质相互作用及病毒进化提供了新视角。

　　

在结构生物学的核心挑战中，评估蛋白质-蛋白质复合物的结合亲和力始终占据着中心位置。蛋白质复合物的功能与其相互作用的强度密切相关，然而，结合亲和力的分子决定因素，尤其是构象动力学所产生的熵贡献，仍然没有得到充分的表征。这成为了理解分子识别和功能调控的一个关键瓶颈。

为了解决这一基础性问题，研究人员将目光投向了一个具有明确进化历史和丰富实验数据的模型系统——SARS-CoV-2病毒刺突蛋白（Spike protein）变体与人类血管紧张素转换酶2（ACE2）受体的相互作用。这项研究发表在《Computational and Structural Biotechnology Journal》上，由来自意大利罗马萨皮恩扎大学物理系的Greta Grassmann、Mattia Miotto、Francesca Alessandrini、Leonardo Bo’、Giancarlo Ruocco、Edoardo Milanetti和Andrea Giansanti共同完成。SARS-CoV-2通过其刺突蛋白的受体结合域与ACE2结合，介导病毒进入宿主细胞。在COVID-19大流行期间，病毒不断进化，产生了多种值得关注的变体，如Alpha、Beta、Gamma、Delta和Omicron，这些变体在刺突蛋白上携带不同的突变，并表现出与ACE2结合亲和力的差异，为研究蛋白质动力学如何影响结合强度提供了一个绝佳的天然实验场。

为了深入探究蛋白质运动与结合稳定性之间的关系，研究团队主要采用了分子动力学模拟这一关键技术。他们从蛋白质数据库获取了野生型及五种重要变体的刺突蛋白受体结合域在未结合和与ACE2结合状态下的晶体结构。对每个体系进行了500纳秒的分子动力学模拟，通过比较未结合和结合状态下蛋白的半径、回转半径、均方根偏差、均方根涨落等参数，并结合协方差矩阵分析、主成分分析等计算方法，系统评估了不同变体的构象动力学差异及其与实验测得的解离常数的关联。

灵活性变化 upon binding

研究人员首先分析了结合前后刺突蛋白构象的灵活性变化。半径分析表明，Delta和野生型变体的结合形式比其未结合形式更为紧凑。均方根偏差分析则显示，所有变体在结合ACE2后均表现出更高的结构稳定性，且这种结合带来的稳定化效应随着解离常数的增加而减弱。这意味着结合亲和力越强的变体，其未结合状态本身就越稳定。均方根涨落分析进一步揭示，在未结合状态下，刺突蛋白的某些区域表现出显著的局部灵活性，而结合后，这些波动变得更为均匀。尽管在某些复合物中，结合界面残基的灵活性在结合后略有增加，但总体而言，结合界面的稳定性要高于蛋白的其他部分。

协变运动分析作为 holo 和 apo 构象变化的度量

通过对残基间原子位置的协方差进行分析，研究人员发现，未结合状态的刺突蛋白表现出更强的残基间协同运动。结合ACE2后，这种协同运动，尤其是在结合界面处，显著减弱。计算全蛋白及结合界面残基的未结合与结合状态协方差矩阵之间的Frobenius距离发现，结合界面处的动力学差异最为明显。这表明结合事件 immobilize 了界面，并且这种效应在后期出现的变体中更为突出。

协方差矩阵的主成分分析揭示了 holo 和 apo 构象的不同行为与不同结合亲和力值的函数关系

主成分分析被用来捕捉蛋白质的本质运动。结果显示，与未结合状态相比，结合状态的刺突蛋白探索的构象空间更为受限，且未结合与结合状态的构象投影重叠区域很小。有趣的是，不同变体未结合状态的构象在由主成分定义的 essential space 中的分布，与其解离常数存在关联。结合亲和力较低的变体，其未结合与结合状态的构象中心距离更大，表明它们结合时发生了更显著的构象变化。

刺突-ACE2 复合物的分析显示了 delta 变体的异常运动

对S-ACE2复合物界面残基运动的分析表明，大多数变体与野生型具有相似的协同运动模式，但Delta变体是个例外，其Frobenius距离远高于其他变体。进一步分析S蛋白与ACE2的相对旋转运动发现，Delta变体中两个蛋白的旋转协调性最差，表现出独特的结合动力学，这可能与其特定的突变和增强的融合性、传播性有关。此外，研究还发现，结合亲和力越高的复合物，其S蛋白与ACE2之间质心距离的波动也越大。

综上所述，这项研究通过精细的计算生物学手段揭示，更稳定的结合往往与未结合状态下蛋白的更高刚性以及其动力学模式与结合后状态的相似性相关。这暗示了一种更接近于“锁钥”模型的结合机制。然而，病毒进化并非只追求最高的结合亲和力，某些变体表现出更动态的行为，这可能优化了其他特性，如免疫逃逸能力。这项研究强调了在评估两个蛋白质之间的结合强度时，研究每个孤立伙伴的稳定性的重要性，为理解蛋白质相互作用及病毒进化机制提供了宝贵的见解。通过探索构象动力学如何影响结合，本研究间接表征了结合熵的构型贡献，为超越当前计算方法的近似结合能计算提供了新的思路。