《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Application of Temperature Replica Exchange Molecular Dynamics: Structure of Mitotic Spindle-Associated Protein SHE1 and Its Binding to Dynein
編輯推薦：
為探究 SHE1 結構及抑制動力蛋白（dynein）機制，研究人員利用溫度復制交換分子動力學（T-REMD）模擬等，解析 SHE1 結構，分析其與 dynein 結合構象。發現兩主要結合位點及抑制機制，為開發 dynein 抑制劑提供依據。
在細胞的微觀世界里，動力蛋白（dynein）如同忙碌的 “運輸工人”，沿著微管（microtubule）軌道負責貨物的運輸，其功能異常與神經退行性疾病、神經發育疾病等密切相關。然而，病毒顆粒也會 “搭便車” 利用動力蛋白，這讓科學家們迫切想要找到調控動力蛋白的鑰匙。SHE1 作為一種酵母特異性微管相關蛋白（MAP），能促進動力蛋白介導的紡錘體極化運動，同時也是已知唯一能獨立于動力蛋白激活蛋白（dynactin）抑制動力蛋白運動的蛋白。但長期以來，SHE1 的結構及其抑制動力蛋白的分子機制一直是未解之謎，這極大限制了人們對動力蛋白調控網絡的理解，也阻礙了相關疾病治療藥物的開發。
為了攻克這一難題，研究人員開展了深入研究。他們利用溫度復制交換分子動力學（T-REMD）模擬等技術，首次解析了 SHE1 的三維結構，并探究了其與動力蛋白及微管結合的復合物構象，相關研究發表在《Computational and Structural Biotechnology Journal》。
研究人員主要采用了以下關鍵技術方法：首先通過同源建模構建 SHE1 初始結構，再利用 GROMACS 軟件進行 T-REMD 模擬，在 72 個不同溫度副本下進行構象采樣；接著運用 RosettaDock 進行蛋白質 - 蛋白質對接，預測 SHE1 與動力蛋白的結合模式；最后借助 K - 均值聚類算法對對接結果進行分析，識別主要結合構象簇。
3.1 T-REMD 模擬與 SHE1 結構解析
通過 T-REMD 模擬，研究人員在 300.0–350.0 K 溫度范圍內對 72 個 SHE1 副本進行構象探索。模擬結果顯示，大部分副本在各溫度區間停留時間相似，表明采樣效率良好。經能量最小化和聚類分析，獲得 SHE1 的穩定構象，其結構包含 8 個 α 螺旋、5 個 310- 螺旋、4 個 β 鏈和 19 個氫鍵轉彎，Ramachandran 圖顯示 75.0% 的 backbone 二面角位于核心區域，驗證了結構的可靠性。
3.2 動力蛋白 - SHE1 結合構象聚類
利用 K - 均值聚類對 RosettaDock 生成的結合構象進行分析，根據界面能量（I_sc）和疏水溶劑可及表面積（dSASA_hydrophobic）將構象分為 3 個簇。其中，簇 1 中的復合物 1 界面能量最低（-26.386 REU），顯示 SHE1 與動力蛋白的馬達結構域、支柱（strut）和莖（stalk）結構域結合；簇 2 和簇 3 的構象則分布在馬達結構域的不同區域。
4.1 結合模式與抑制機制
Group 1：馬達結構域結合：在復合物 1–3 中，SHE1 結合于動力蛋白的 AAA1、AAA2、AAA5、AAA6 模塊及支柱結構域。通過鹽橋和氫鍵與動力蛋白的 Asp3388、Asp3361 等殘基相互作用，抑制馬達環的 “開 - 閉” 構象變化，干擾 ATP 水解所需的長程變構通訊，直接影響動力蛋白的機械化學循環。例如，SHE1 與 AAA4α–AAA5α/β 界面的結合可限制連接子（linker）的擺動，阻礙 ATP 在 AAA1 位點的水解。
Group 2：微管結合結構域（MTBD）與微管結合：在復合物 4–7 中，SHE1 結合于 MTBD、β- 微管蛋白的 E - 鉤（E-hook，β- 微管蛋白 C 末端尾）及 α- 微管蛋白核心區域。通過與 MTBD 的 Lys3221、α- 微管蛋白的 Glu161 等殘基形成鹽橋，抑制 MTBD 與微管的高親和力結合，從而阻止動力蛋白的移動，這與近期體外實驗數據一致。
4.2 靜電相互作用與結合特異性
靜電勢分析表明，SHE1 的正電荷表面與動力蛋白馬達結構域的負電荷區域及微管的 E - 鉤負電荷尾部相互吸引，驅動結合過程。這種電荷互補性確保了 SHE1 與動力蛋白及微管相互作用的特異性，為抑制機制提供了結構基礎。
結論與意義
本研究首次通過計算模擬解析了 SHE1 的結構，揭示了其抑制動力蛋白的雙重機制：一是通過結合馬達結構域干擾 ATP 水解和構象變化，二是通過結合 MTBD 和微管抑制其與微管的相互作用。這些發現不僅填補了 SHE1 結構生物學的空白，也為理解動力蛋白調控網絡提供了新視角。鑒于動力蛋白在疾病中的關鍵作用，SHE1 的結構及其作用模式為設計靶向動力蛋白的小分子抑制劑或肽類藥物提供了重要模板，有望推動神經退行性疾病等相關領域的治療研究。此外，研究中采用的 T-REMD 模擬和蛋白質對接等方法，也為復雜蛋白 - 蛋白相互作用的研究提供了可借鑒的技術路徑。
