摘要
蛋白质(酶)的功能高度依赖于其精细复杂的分子结构，其内部氨基酸(残基)的相互作用会引发复杂的动力学行为而实现蛋白质的功能。特定氨基酸的突变或者不同配体的结合可能会引发蛋白质功能的改变，而在这一过程中常伴随着蛋白质的构象变化、内部残基以及结构域之间的相互作用变化。分子动力学模拟发展到现在已经成为研究蛋白质结构的重要工具，模拟轨迹的统计和分析对于理解蛋白质结构-功能的关系至关重要。然而到目前为止，没有开发出一种分析方法能够推断驱动蛋白质复杂运动的相互作用网络。近年来，深度学习领域的图神经网络在简单物理运动和骨架动作识别等动力学场景中有成熟的应用。因此，利用图神经网络学习生物大分子的运动轨迹是未来的发展趋势。本文利用分子动力学模拟结合图神经网络深入研究了几种与重大疾病相关的不同调控机制的酶，具体研究内容如下： 1.突变Y68I/G109P提高阿洛酮糖酶CbDPEase催化活性的理论机制 D-阿洛酮糖有抗糖尿病和抗肥胖等生理功能，由于其在自然界中极其稀缺且合成困难，通过提高D-阿洛酮糖3-差向异构酶(CbDPEase)的催化效率来提高其产量变得至关重要。为了研究突变Y68I/G109P提高CbDPEase催化活性的理论机制，我们借助常规分子动力学(cMD)模拟和自适应拉伸分子动力学(ASMD)模拟对底物D-果糖分别结合野生型和Y68I/G109PCbDPEase的复合物进行了详细的研究。模拟结果表明：突变Y68I/G109P提高了功能性残基的中介中心性，增强了D-果糖与CbDPEase之间的相互作用。在D-果糖从Y68I/G109PCbDPEase中解离的过程中，门控残基F248和W114的苯环平面可以持续平行于D-果糖的拉伸方向，使得酶通道处于开放状态，稳定了D-果糖与苯环之间的相互作用。 2.活性突变E203K和P124S对曲美替尼抑制MEK1的影响 丝裂原活化蛋白激酶1(MEK1)在RAS-RAF-MEK-ERK丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)信号通路中有至关重要的作用，该通路的异常活动与多种疾病的发生相关。有报道称两个活性突变(E203K和P124S)增强了MEK1的活性，从而导致肿瘤的发生。在本研究中，我们对曲美替尼分别结合非活性(WT和A52V)MEK1和活性(E203K和P124S)MEK1的复合物进行常规分子动力学模拟和拉伸分子动力学(SMD)模拟，来探究活性突变对MEK1与曲美替尼相互作用的影响。模拟结果表明：突变E203K和P124S使MEK1中激活片段(activation segment)的二级结构由螺旋转变为环状区域，其构象从关闭状态变成开放状态；尤其对于P124SMEK1而言，核心激酶结构域1和激活片段之间的反向运动会减弱曲美替尼对MEK1的结合亲和力。此外，突变E203K和P124S使MEK1的变构通道变宽变短，从而曲美替尼的解离更加容易，减弱了曲美替尼对MEK1的抑制作用。 3.配体结合对磺基转移酶SULT2A1结构稳定性和选择性的影响 Ⅱ类代谢酶的胞质磺基转移酶(SULTs)通过将磺酸盐基团从辅因子3'-磷酸腺苷5'-磷酸硫酸(PAPS)转移到底物上来实现小分子的磺化反应。为了研究不同配体(辅因子、底物或抑制剂)的结合影响SULT2A1结构稳定性和底物选择性的理论机制，我们借助常规分子动力学模拟和批量对接的方法研究了辅因子(PAP)和底物/抑制剂(LCA、raloxifene、α-hydroxytamoxifen、ouabain和3’-phosphoadenylylsulfate)对SULT2A1构象变化的影响。模拟结果表明：PAP的结合使SULT2A1中的活性位点cap(active-site cap，loop16)有明显的向内位移，缩小了活性口袋的空间，从而导致底物的选择性发生显著改变。因此，当PAP存在时，较小尺寸的底物(如LCA)可以稳定地结合在活性口袋中；然而，大尺寸底物(如3'-phosphoadenylylsulfate和raloxifene)更倾向结合到没有PAP结合的开放构象中。 4.利用图神经网络从分子动力学模拟中学习蛋白质(酶)中的相互作用网络 为了开发新的分析方法来捕获驱动蛋白质复杂运动的相互作用变化，我们首次尝试应用基于图神经网络的神经关系推理(NRI)模型来分析模拟轨迹。在变构调节案例研究中，肽基脯氨酰基顺反异构酶(Pin1)可以利用配体结合到WW结构域上，来远程调控PPIase结构域中的催化位点。通过NRI模型的学习发现：配体的结合能够增强WW和PPIase两个结构域之间的协调性和紧凑性，进而启动结合位点与催化位点之间的变构通讯。 此外，我们利用NRI模型学习了前三个体系(CbDPEase、MEK1和SULT2A1)的模拟轨迹。在CbDPEase系统中，我们发现突变Y68I/G109P增强了包围活性口袋的结构域之间的相互作用，从而增强了底物D-果糖和活性位点残基的结合亲和力。在MEK1系统中，我们发现在非活性MEK1中，残基/结构域之间几乎没有相互作用。相反，在活性MEK1(E203K和P124SMEK1)中，αA螺旋、αC螺旋、核心激酶结构域1、激活片段和脯氨酸富集区域与整个蛋白有强烈的相互作用；其中，激活片段可以作为“信使”介导MEK1中的信号传递。在SULT2A1系统中，我们发现PAP的结合能够增强loop12和loop16的相互作用，从而促使活性位点cap(loop16)朝着loop12的方向运动而导致活性口袋关闭。本研究所涉及的酶可以分为两种调控模式，一是突变和配体结合位点位于活性位点附近，能够直接调控活性位点的构象(如CbDPEase和SULT2A1的调控机制)；二是突变和配体结合位点远离活性中心，需要通过变构调控改变酶的活性状态(如MEK1和Pin1的调控机制)。本研究说明NRI模型有能力推断不同调控机制下驱动蛋白质运动的残基相互作用，为轨迹分析提供了全新的视角。
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