分子动力学、对接和量子计算揭示 CYP27A1氨基酸突变对脑腱黄瘤病相关构象变化的影响

《Scientific Reports》：Molecular dynamics, docking and quantum calculations reveal conformational changes influenced by CYP271A amino acid mutations related to cerebrotendinous xanthomatosis

为探究 CYP27A1基因突变影响，研究人员用多种计算工具研究，发现突变影响胆固醇结合，助力理解脑腱黄瘤病机制。

　　

在生命的微观世界里，基因的微小变化可能引发意想不到的疾病。脑腱黄瘤病（CTX）就是这样一种神秘的疾病，它是一种常染色体隐性脂质紊乱疾病，给患者带来诸多痛苦，如渐进性神经功能障碍，包括认知障碍、癫痫、周围神经病变和运动障碍等。这一切的 “罪魁祸首” 是 CYP27A₁基因的突变，该基因编码的线粒体固醇（25R）26 - 羟化酶，也就是 27 - 固醇 - α - 羟化酶（CYP27A₁），在胆汁酸生物合成途径中起着至关重要的作用，它能催化胆固醇的氧化，维持胆固醇的体内平衡。

然而，尽管对 CTX 的临床特征、分子和生化基础有了一定研究，但关于 CYP27A₁的结构和动态行为的描述却十分有限。此前的研究虽然揭示了某些点突变对酶结构和功能的影响，确定了突变影响底物结合和酶功能的分子基础，但对于蛋白质的结构动态行为尚未深入探索。为了填补这一空白，来自西班牙格拉纳达大学药学院、墨西哥国立理工学院等机构的研究人员开展了一项研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员运用了多种先进的技术方法来深入探究 CYP27A₁的奥秘。首先，通过同源建模构建了野生型（WT）CYP27A₁和多个突变体的三维模型，为后续研究提供了基础框架。接着，利用分子动力学（MD）模拟研究蛋白质的动态和结构行为，分析突变对蛋白质结构稳定性和构象变化的影响。同时，运用分子对接技术研究胆固醇与 CYP27A₁的结合模式，探索突变对底物结合的影响。此外，借助量子计算，从量子层面分析蛋白质 - 配体相互作用，深入理解突变对酶活性的影响机制。

研究结果如下：

1. 3D 模型：由于缺乏 CYP27A₁的晶体结构，研究人员以大鼠线粒体 CYP24A₁（PDB：3K9Y）为模板，通过同源建模构建了 CYP27A₁的三维模型。该模型包含 α - 螺旋、血红素基团等重要结构，且与模板结构比对无显著差异，能够可靠地再现 CYP27A₁的重要区域，为后续研究提供了有效模型。同时，构建了多个 CYP27A₁突变体模型，如 G145E、R395C 等，这些突变体在保守区域的突变可能影响酶的活性和功能。
2. 分子动态模拟：
   • 几何参数：对野生型和突变体进行 25 ns 的 MD 模拟，结果显示大多数系统在约 10 ns 时达到收敛。突变影响了蛋白质的结构行为，多数突变体比野生型表现出更多的结构流动性。例如，M1、M5 等突变体与野生型相比，结构差异更为明显。同时，突变还影响了蛋白质的紧凑性，部分突变体使蛋白质 backbone 轻微扩张，而 M3 则增加了蛋白质的紧凑性。
   • 结构洞察：分析 MD 模拟中最丰富簇构象（MPCC）发现，野生型与 MPCC 构象存在差异，突变体与野生型之间也有不同程度的结构差异。在活性位点入口等区域，突变体出现显著结构变化，这些变化可能影响酶的催化活性。
   • 底物通道结构变化：点突变导致蛋白质表面和催化位点的底物通道结构改变。野生型有两个催化位点入口通道，突变后通道长度、瓶颈半径等参数发生变化，部分突变体还出现了新的通道。这些结构变化可能影响底物进入催化位点的方式和效率，进而影响酶的活性。
3. 分子对接表明底物结合模式的改变：分子对接研究发现，野生型中胆固醇通过疏水通道 I 到达催化位点，与血红素铁和周围氨基酸形成稳定的相互作用。而突变体中胆固醇的结合模式发生改变，无法正确定位进行 27 - 羟化反应。例如，M1 和 M2 中胆固醇插入通道 II 但取向异常，M3 和 M4 中胆固醇未到达催化位点，M5 - 7 中胆固醇也未采用正确的结合模式，尽管它们的结合自由能有利，但无法进行羟化反应。
4. 量子化学拓扑分析：量子化学计算显示，野生型与胆固醇的复合物具有最有利的相互作用能。通过量子理论原子分子（QTAIM）和非共价相互作用指数（NCI）分析发现，胆固醇异丙基与野生型血红素基团的强相互作用对 CYP27A₁的羟化能力至关重要，而这种相互作用在突变体中缺失，这可能是突变体酶活性缺乏的原因。

研究结论和讨论部分指出，CYP27A₁的突变会导致蛋白质结构变化，影响催化位点表面和底物通道，改变胆固醇的结合模式，进而降低酶的催化活性，这为 CTX 的发病机制提供了分子层面的解释。该研究不仅揭示了 CYP27A₁结构与功能的关系，还为理解 CTX 的病理过程提供了重要依据，为开发针对 CTX 的治疗策略奠定了理论基础。然而，研究也存在一定局限性，如需要更长时间的模拟和使用与底物正确反应的阳离子自由基物种（CPDI）进一步研究底物与 CYP27A₁的结合。总体而言，这项研究在脑腱黄瘤病的研究领域迈出了重要一步，为后续研究指明了方向。