通过无偏的全原子分子动力学模拟，揭示HIV相关致淀粉样蛋白肽PAP248–286的二聚化及β折叠片形成的机制

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Mechanistic Insights into Dimerization and Cross-β Sheet Formation in the HIV-Associated Amyloidogenic Peptide PAP248–286 from Unbiased All-Atom Molecular Dynamics Simulations

本研究通过80次全原子分子动力学模拟和100次引导模拟及伞形采样，揭示了PAP248–286多肽二聚化形成β-折叠结构的机制。结果表明，氢键与疏水相互作用协同稳定β-折叠界面，关键残基Arg10、Val17、Glu19和Ile20贡献显著，二聚体机械强度达20kcal/mol/?，热力学稳定自由能差为8.7kcal/mol，为SEVI纤维组装的早期步骤提供原子级 Insights。

　　
本研究聚焦于人前列腺酸性磷酸酶（PAP）水解产生的多肽片段PAP248–286的聚合机制，特别是其形成二聚体这一关键步骤的分子动力学特征。该多肽通过形成β-折叠富集的SEVI纤维显著增强HIV感染效率，而二聚化过程被认为是纤维组装的初始步骤。研究团队通过结合80次全原子分子动力学模拟（MD）与100次导向MD及伞形采样模拟，首次系统揭示了PAP248–286二聚化的构象演化规律与作用机制。

在模拟设计方面，研究构建了五种不同的体系以覆盖PAP248–286可能的构象组合。其中Type-I系统（40次独立模拟）采用短β-折叠构象的初始状态，因其后续能形成稳定的β-折叠交叉结构，成为主要分析对象。模拟条件设定为pH4.2的酸性环境，此时His3和His23质子化，赋予多肽+8的总电荷，这与性传播环境中精液微环境的酸性条件高度吻合。使用的力场为优化后的CHARMM36m，特别适用于无序蛋白与多肽的研究。

核心发现体现在三个维度：首先，通过40次Type-I系统的MD模拟发现，当两个单体间距缩短至5?以下时，β-折叠含量显著提升（图1B）。这种结构重组伴随着氢键数量从初始的约8个增至峰值时的14-16个（图1A）。值得注意的是，这种氢键网络的动态重组具有时间滞后性，在接近400纳秒时才达到稳定构象。其次，导向MD模拟揭示了二聚体具有高达20kcal/mol/?的抗拉强度，其解离过程呈现多势垒特征（图4）。通过分析100次独立模拟的力-时间曲线，发现解离峰值力（Fmax）与解离时间（td）呈强正相关（R2>0.85），表明复杂的热力学与动力学因素共同作用。第三，伞形采样结合自由能面分析显示，二聚体-单体自由能差为8.7kcal/mol，证实其热力学稳定性，同时计算误差范围小于1.5kcal/mol，验证了方法的可靠性。

在作用机制解析方面，研究首次明确了PAP248–286二聚化中的关键残基。通过计算单体间最小距离（≤3.5?）时的氢键网络，发现Arg10、Val17、Glu19和Ile20构成核心作用位点。特别值得注意的是，Arg10的侧链与另一单体Glu19形成稳定的盐桥（距离3.2?），而Val17与Ile20形成的疏水作用网络覆盖了约60%的β-折叠区域（图3）。这种立体 zipper 模式与细菌CsgA纤维蛋白的折叠机制高度相似，但区别在于PAP248–286的β-折叠结构呈现更紧密的横向堆积（间距4.1? vs CsgA的4.3?）。

结构动态分析显示，二聚体形成存在显著构象熵的耗散过程。通过聚类分析发现，约68%的构象属于β-折叠富集的稳定态（图5），而其余32%呈现局部无序状态。这种多态性解释了为何实验观测中常发现不同长度的纤维共存现象。特别重要的是，当单体间存在不同构象组合（如Type-V系统中的β-折叠与交叉β-折叠单体结合）时，形成的二聚体β-折叠含量降低40%-50%，其解离自由能仅比纯β-折叠二聚体高1.2kcal/mol，这为开发特异性抑制剂提供了理论依据。

在应用层面，研究揭示了SEVI纤维组装的动力学特征。通过计算各体系自由能面发现，β-折叠富集的二聚体（Type-I系统）具有最低自由能（-0.7kcal/mol），而其他构象组合的自由能差值均高于3kcal/mol。这种能量壁垒差异解释了为何在精液环境中β-折叠构象具有优先形成的优势。此外，多巴胺解离研究显示，β-折叠二聚体在3.5?以上的间距下仅能维持2.8秒的稳定状态，这为开发短效性阻断剂提供了时间窗口参考。

本研究突破传统方法对纤维蛋白研究的局限性，首次在原子尺度解析了PAP248–286的早期聚合路径。通过结合动态模拟与热力学分析，揭示了二聚化过程中的关键结构要素与作用机制，为针对SEVI纤维的药物设计提供了新的靶点：包括Arg10-Glu19盐桥破坏剂、Val17-Ile20疏水界面阻断肽等。这些发现不仅深化了对SEVI纤维形成机制的理解，更为HIV感染抑制开辟了新的药物研发方向。后续研究可进一步探索二聚体向四聚体、八聚体的构象跃迁路径，以及在不同pH、离子强度条件下的稳定性差异。