分子模拟揭示MS2噬菌体成熟蛋白动态行为及其在病毒侵染中的关键作用

本研究通过0.5微秒全原子分子动力学模拟，揭示了MS2噬菌体成熟蛋白(MP)的高动态特性及其与衣壳稳定性和宿主受体结合的分子机制。研究发现MP的"尖端"和"侧环"区域具有显著柔性，可能通过构象选择机制促进与F菌毛受体的结合，同时MP的存在增强了衣壳盐桥相互作用稳定性，为开发靶向病毒-宿主相互作用的抗病毒策略提供了新见解。

　　

在病毒学研究领域，MS2噬菌体一直被视为研究病毒结构与功能的经典模型。这种小型二十面体单链RNA病毒以其相对简单的结构而著称，其衣壳由178个衣壳蛋白(CP)拷贝和一个成熟的成熟蛋白(MP)组成。尽管MP在宿主受体识别和感染起始过程中起着至关重要的作用，但科学界对其动态行为及其与衣壳相互作用的了解仍然有限。传统结构生物学方法如X射线晶体学和冷冻电镜虽然提供了静态结构信息，却难以捕捉蛋白质在原子水平上的动态特征，这限制了对病毒感染机制的深入理解。

为了填补这一知识空白，由Srdan Masirevic和Jan K. Marzinek共同领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们通过长达0.5微秒的全原子分子动力学(MD)模拟，首次系统性地揭示了MP的动态特性及其对MS2衣壳稳定性的影响。

研究采用的主要技术方法包括：全原子分子动力学模拟（使用CHARMM36m力场和TIP3P水模型）、主成分分析(PCA)研究蛋白质集体运动、离子-蛋白质相互作用分析、孔道半径计算（通过MDAnalysis库实现）、盐桥分布统计以及构象聚类分析。所有模拟均在国家超级计算中心（新加坡）完成，每个系统使用24个节点（每个节点24个CPU）进行运算。

结构稳定性

模拟结果显示，无论是否存在MP，MS2衣壳在0.5微秒的模拟过程中均保持稳定的病毒构象。含有MP的系统(MS2_MP)显示出稍高的结构漂移，RMSD平台值约为0.4纳米，而无MP的系统(MS2_No-MP)RMSD平台值为0.38纳米。衣壳直径从初始的约24.3纳米轻微膨胀至25.0纳米，这种膨胀被认为是缺乏RNA情况下蛋白质外壳的松弛现象。

B因子分析表明，MP本身在β- sheet结构域（尖端）和侧环区域表现出较高的灵活性，而α-螺旋核心区域相对刚性。B因子差异图进一步显示，MP的存在不仅影响相邻CP的灵活性，还引起整个衣壳多个环区的动态扰动，表明MP引入的不对称性能够传播动态扰动。

离子摄取

离子相互作用分析揭示了钠离子和氯离子在MS2衣壳内外表面的独特分布模式。钠离子主要分布在外壳表面，特别是在三个衣壳二聚体界面处富集，Y129羧基C末端、S2侧链羟基和F4骨架氧原子是关键结合位点。

相反，氯离子主要集中在衣壳内部（RNA结合侧），与衣壳蛋白的碱性残基相互作用。每残基氯离子占据率分析显示，氯离子与衣壳二聚体和MP中的碱性残基有强烈相互作用，这些离子相互作用可能通过模拟RNA磷酸基团通常提供的静电相互作用，在缺乏RNA的衣壳区域维持局部结构稳定性。

MS2衣壳壳层动力学的主成分分析

主成分分析(PCA)揭示了MS2系统内显著的集体运动，第一主成分(PCA1)显示MP及其相关环区存在显著动力学特征。当对MP及其周围十个二聚体独立进行PCA时，在这些区域观察到明显的运动。

箭猪图说明了PCA1的极端状态，显示了MP及其相邻环区的显著构象变化。这些结果表明MP的外部（非RNA结合）表面及其相关环区经历显著的"向外运动"，可能在MS2衣壳的功能动力学中起关键作用。

孔道动力学

MS2衣壳包含32个孔道（12个五聚体孔和20个六聚体孔），位于每个二十面体五聚体和六聚体单元的中心，有助于整体结构并促进分子交换。对两种系统孔道半径分布的分析显示，所有孔道都表现出相似的半径分布，最常见的孔道大小约为2纳米。统计分析显示MS2_MP和MS2_No-MP系统在五聚体和六聚体孔道的平均半径存在显著差异(p < 0.05)，但差异微小，可能不具有显著的生物学或功能意义。

盐桥

为评估盐桥在衣壳稳定性中的作用，研究人员分析了MS2_MP和MS2_No-MP系统中CP间盐桥接触的频率分布。结果显示MS2_MP系统比MS2_No-MP系统具有更多的CP-CP盐桥，表明MP的存在通过促进增加的CP-CP相互作用间接增强了衣壳稳定性。盐桥在维持二十面体病毒衣壳的结构完整性方面起着关键作用，有助于稳定组装的蛋白质-蛋白质相互作用网络。

成熟蛋白动力学

通过计算蛋白质骨架原子的RMSD以及MP相对于衣壳表面的倾斜角，分析了MP的动态特性。MP的RMSD显著高于MS2_MP系统中178个CP的平均RMSD，表明其动力学受周围对称蛋白质单元的限制较少。MP相对于壳表面的倾斜角显示出显著波动，在约20-90度之间变化，而其实验测定的倾斜角为20度（在受体结合状态下观察到）。这一结果证实了MP在缺乏受体的情况下是一个高度动态的单元，表明其灵活性可能在感染过程中起关键作用。

MP的二维RMSD矩阵分析揭示了沿着对角线分布的明显构象状态簇。专门对MP进行的PCA（与整个衣壳相对）显示最大的集体运动发生在"尖端"和"侧环"区域，而MP的其余部分保持相对稳定。MD模拟突出了MP的H357周围环区域的显著动力学。在实验性MS2/F-菌毛复合物结构中，H357、R36和R39与F-菌毛上的D7和D23形成静电相互作用网络，稳定界面。MP"尖端"的额外疏水接触进一步锚定了这种相互作用。

研究结论表明，全原子MD模拟为了解MS2噬菌体的动态行为及MP在其感染性中的作用提供了关键见解。RMSD和PCA分析显示MP具有高度灵活性，特别是在"尖端"和"侧环"区域，包括H357周围的环。这些柔性 motif可能通过增强受体结合的可及性来促进与宿主F-菌毛的相互作用。研究结果强调了局部构象流动性在实现MP功能相互作用中的重要性。

虽然MP的灵活性与相邻二聚体的相互作用有助于其功能作用，但整体衣壳结构保持稳定，未观察到五聚体和六聚体孔道半径的功能显著变化。离子结合模式表明其在维持衣壳完整性和可能在不同环境条件下辅助感染性方面具有结构作用。

研究人员承认，他们的模拟受到力场近似和缺乏病毒RNA或宿主相互作用的固有限制，这需要实验验证。虽然分析表明各种局部和全局病毒衣壳指标已经收敛，但0.5微秒的轨迹提供的采样有限，与病毒-菌毛受体结合或基因组释放等生物过程相关的时间尺度相比仍较短。针对关键残基（特别是H357周围环中的残基）的突变分析可能会进一步阐明MP的结构、动力学和功能之间的关系。这类研究可能指导未来旨在破坏宿主-病毒相互作用的合理策略。