基于最大熵重加权方法整合分子动力学模拟与实验数据解析固有无序蛋白原子分辨率构象系综

本研究针对固有无序蛋白(IDPs)原子分辨率构象系综测定难题，开发了一种全自动最大熵重加权方法，成功整合全原子分子动力学(MD)模拟与核磁共振(NMR)、小角X射线散射(SAXS)实验数据。研究证明该方法可在不同力场初始构象分布合理的情况下，获得高度一致的力场无关性构象系综，为IDP精准结构表征及药物靶点开发提供了重要技术支撑。

　　

在结构生物学领域，固有无序蛋白（intrinsically disordered proteins, IDPs）正成为新的研究焦点。这些蛋白质在生理条件下缺乏稳定的三维结构，却通过动态变化的构象系综（conformational ensembles）参与关键的细胞功能调控。然而，IDPs的结构异质性和动态特性使其原子分辨率结构解析成为长期挑战——传统实验技术如核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）和小角X射线散射（small-angle X-ray scattering, SAXS）只能获得系综平均数据，而分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟的准确性又高度依赖力场（force fields）的质量。

为解决这一难题，Dartmouth学院的Kaushik Borthakur等研究者在《Nature Communications》发表了突破性研究，开发出了一种简单、稳健且全自动的最大熵重加权（maximum entropy reweighting）方法。该方法通过巧妙平衡实验约束强度与构象采样完整性，成功实现了MD模拟与多源实验数据的无缝整合。

关键技术方法包括：1）采用最大熵原理构建重加权框架，通过正则化参数（σ_reg）平衡实验误差与力场不确定性；2）引入Kish比率（Kish ratio, K）作为唯一自由参数控制有效系综规模；3）结合Flyvbjerg区块分析法量化前向模型（forward models）预测误差；4）开发能量景观可视化方法（Energy Landscape Visualization Method, ELViM）定量比较构象系综相似性；5）对Aβ40、drkN SH3、ACTR、PaaA2和α-突触核蛋白（α-synuclein）五个典型IDPs进行30微秒长时程MD模拟验证。

Determining accurate atomic-resolution ensembles of IDPs

研究团队首先建立了以Kish比率为核心的参数优化流程。如图1A所示，通过系统调节全局正则化参数（σ_reg-Global），重加权系综与实验数据的均方根误差（root mean square error, RMSE）呈现规律性下降。留一法交叉验证（图1B）证明该方法在显著提升与实验数据吻合度的同时，有效避免了过拟合问题。特别值得注意的是，重加权后的Aβ40系综中β-折叠结构 populations（图1D）相较于初始MD模拟（图1C）发生显著重构，且不同力场获得的重加权系综表现出高度一致性（图1E）。

在ACTR蛋白体系研究中（图2），重加权系综的SAXS曲线与实验数据高度吻合（图2A），α-螺旋构象分布（图2B）得到合理优化。不同力场产生的重加权系综均表现出优异的实验数据拟合度（图2C），证实了方法的力场无关性特征。

Comparing IDP ensembles from different force fields

为客观量化系综相似性，研究者创新性地应用ELViM方法将高维构象空间投影至二维潜空间（latent space）。如图4所示，Aβ40的不同力场初始MD系综在ELViM投影中呈现相似但概率分布各异的构象采样，而重加权后系综密度分布高度收敛。

通过定义密度重叠积分（overlap integral）S值，研究者首次实现了IDP构象系综相似性的定量评估。如图6所示，Aβ40和ACTR的重加权系综间重叠度高达显著水平（红色三角区），而PaaA2和α-突触核蛋白由于初始力场采样偏差较大，系综收敛程度有限。这一发现揭示了方法应用的重要前提：初始构象采样需要覆盖实验数据对应的关键构象空间区域。

研究结论表明，该方法在Aβ40、ACTR和drkN SH3等较短IDPs（<70个残基）体系成功实现了力场无关的构象系综计算，标志着IDP结构计算正从评估不同计算模型的准确性迈向原子分辨率整合结构生物学的新阶段。这些高精度系综将为机器学习方法提供宝贵的训练数据，推动发展类似于AlphaFold3⁴⁹的IDP结构预测工具。

该研究的创新价值在于建立了标准化、可推广的IDP结构解析框架，为疾病相关IDP的药物设计（如阿尔茨海默病Aβ蛋白抑制剂开发）提供了原子水平的结构基础。随着实验数据积累和力场持续优化，这一方法有望成为IDP结构生物学的基准技术，加速我们对生物分子无序性功能机制的理解。