原子水平解析人羧酸酯酶1和2对两类底物的选择性机制及其药物设计意义

本研究针对人羧酸酯酶CES1A1和CES2A1底物选择性机制不明确的问题，通过分子动力学(MD)和量子力学/分子力学(QM/MM)模拟，揭示了两类底物(p-硝基苯酯衍生物NPE和拟除虫菊酯立体异构体Pyr)与酶结合的亲和力常数KM和催化效率kcat的分子基础，为靶向CES的药物设计提供了原子级理论依据。

　　

在药物代谢领域，人羧酸酯酶(Carboxylesterases, CES)作为关键的代谢酶，负责水解众多临床药物前体(prodrugs)和酯类化合物。其中CES1A1和CES2A1虽仅有47%序列相似性，却展现出截然不同的底物偏好性：传统观点认为CES1A1偏好小烷基-大酰基结构，而CES2A1倾向大烷基-小酰基底物。然而现实中存在诸多例外——如海洛因(heroin)违反尺寸规则被CES1A1优先代谢，拟除虫菊酯(pyrethroid)立体异构体则呈现复杂的立体选择性水解模式。这种选择性的分子机制不清，严重制约了靶向CES的药物设计，特别是针对癌症(如过表达CES2A1的实体瘤)和代谢性疾病(如CES1A1相关高甘油三酯血症)的精准治疗策略开发。

为解决这一难题，阿根廷国家科学技术研究委员会(CONICET)的研究团队Sergio R. Ribone等采用多尺度计算模拟方法，在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics》发表研究，首次在原子水平阐明了两类代表性底物(NPE和Pyr)与CES亚型的选择性结合与催化机制。研究整合了经典分子对接、分子动力学(MD)模拟、结合自由能计算以及混合量子力学/分子力学(QM/MM)模拟技术，以CES1A1晶体结构(PDB 5A7F)和同源建模的CES2A1结构为基础，系统分析了底物-酶相互作用模式及水解反应能垒。

比较CES1A1和CES2A1催化位点
通过结构比对发现，CES1A1的亚口袋1(subpocket 1)具有更显著的疏水性残基分布(如Phe354、Trp461)，而CES2A1对应区域则富含极性残基(如Asn438)。这种差异直接导致两类酶对底物疏水相互作用的偏好不同，通过范德华力(VDW)分析证实这是决定K_M差异的关键因素。

结构准备与口袋分析
研究特别关注催化三联体(Ser-His-Glu)和氧阴离子空穴(oxyanion hole)的结构保守性。MD模拟显示，CES1A1的Gly142-Gly143-Ala222空穴构象更刚性，而CES2A1的对应区域(Gly149-Ala150-Ala229)具有更高柔性，这种动态特性差异影响了过渡态(TS)稳定性。

底物选择性机制
对于NPE类底物，结合自由能分解表明CES1A1对硝基苯环的疏水相互作用贡献值比CES2A1高30-40%。而在Pyr立体异构体研究中，QM/MM揭示cis-构象在CES2A1中形成更低能垒的四面体过渡态(ΔG^?降低12 kcal/mol)，完美解释了实验观察到的cis-异构体优先被CES2A1水解的现象。

催化效率决定因素
通过k_cat/K_M分析发现，CES1A1对trans-拟除虫菊酯的高效催化源于其亚口袋2对异丁烯基的立体包容性，而CES2A1则通过亚口袋1的Arg344稳定cis-构象的氧阴离子中间体。特别值得注意的是，过渡态的空间位阻(steric hindrance)成为决定k_cat的限速步骤——这一发现突破了传统仅关注基团尺寸的选择性认知框架。

该研究首次建立了CES底物选择性的"双重决定"模型：亚口袋1/2的疏水相互作用模式主导底物亲和力(K_M)，而过渡态的空间位阻特性决定催化速率(k_cat)。这一理论框架为设计靶向特定CES亚型的药物提供了明确指导：例如开发CES2A1特异性抗癌前药时，应优先引入cis-构象酯键并优化亚口袋1的极性相互作用；而针对CES1A1的代谢疾病抑制剂(如GR148672X类似物)则需强化与Trp461的VDW作用。研究揭示的原子级机制不仅解决了长期存在的底物选择性争议，更为精准调控药物代谢路径开辟了新途径。