综述：蛋白质动力学与灵活性在功能机制中的关键作用：计算方法如何促进其识别

《Biochimie》：The key role of the dynamics and flexibility of proteins in functional mechanisms: How computational methods can contribute to their identification.

本综述系统阐述了超越传统“序列-结构-功能”范式的新视角，强调蛋白质动力学（Dynamics）与构象变化（Conformational Changes）在功能机制中的核心地位。文章评述了核磁共振（NMR）、冷冻电镜（Cryo-EM）等实验技术的进展与局限，并重点探讨了分子动力学模拟（Molecular Dynamics Simulations）及人工智能（AI）等计算方法在揭示蛋白质动态景观（Dynamical Landscape）、弥补实验数据缺口方面的巨大潜力与应用前景。

　　

Preamble

这篇特刊文章旨在纪念Etchebest教授的同事与挚友Serge Hazout教授，回顾了他们自1999年起在蛋白质结构研究领域的合作与友谊，以及围绕相关问题开展的富有成果的头脑风暴。

Experimental data

通过X射线晶体学、核磁共振（NMR）以及电子显微镜（EM）解析的结构，提供了大量关于蛋白质响应环境变化（如pH、温度、盐浓度、配体、蛋白质、DNA、RNA等相互作用伙伴）而采取不同构象状态的实例。蛋白质数据库（Protein Data Bank, PDB）汇集了几乎所有实验解析的大分子三维结构，是目前研究蛋白质构象多样性的核心资源。

Specific databases

基于PDB，研究人员开发了多个专门数据库（或数据集），用以突出特定蛋白质（或序列高度相似蛋白）的结构多样性，并提供构象变化信息。这些数据库采用了不同的策略来描述构象变化。

Time-Resolved X-ray crystallography

飞秒X射线蛋白质纳米晶体学技术于十多年前问世，旨在避免晶体损伤。该技术基于X射线自由电子激光（X-FEL），可产生极短脉冲、高亮度的X射线，并聚焦于非常小的样品。另一项重要改进是连续注射暴露于激光束下的微晶体，系统收集衍射数据并进一步组合以获得结构信息。

Principle

在上述提及的众多实例中，经典分子动力学（MD）模拟已成为不可或缺的工具。它尤其丰富了可通过实验方法部分识别的可及构象集合。简而言之，进行MD模拟需要三个主要要素：i) 待研究体系的初始三维结构；ii) 粒子间相互作用力的精确表示，即力场（Force Field）；iii) 合适的模拟算法与计算资源。

A historical breakthrough

数据科学，特别是在结构生物学领域的新发展，带来了历史性的突破，同时也引发了重要问题。数据已成为科学的关键资源，因此，确保数据的可靠性、可重复性以及符合FAIR原则（可发现、可访问、可互操作、可重用）变得至关重要。近期的一篇综述优雅地总结了在利用分子动力学模拟获得稳健数据时应考虑的九个关键要素。

Conclusion

本综述试图强调近年来在实验和计算方面取得的重大进展，并为读者提供了有关蛋白质运动与构象变化的组织化信息（数据库）和工具参考资料。尽管取得了这些进展，我们是否更好地理解了蛋白质执行功能的机制？答案可能是“更好”，但肯定不是“完全”，许多蛋白质的功能机制仍然难以破解，未来需要结合多种方法来深化认识。

CRediT authorship contribution statement

catherine ETCHEBEST: 概念化，形式分析，撰写初稿，审阅编辑。

Ravy Leon Foun Lin: 形式分析，验证，审阅编辑。

Adam Bellaiche: 形式分析，审阅编辑。

Declaration of Competing Interest

作者声明无利益冲突。

Acknowledgments/Funding

本研究得到了法国2030计划通过巴黎西岱大学Idex项目（ANR-18-IDEX-0001）的支持。AB和RLFL的博士研究由AUDENSIEL Technologies和AUDENSIEL Healthcare资助。作者特别感谢Julien Diharce博士对稿件的审阅，以及Alexandre de Brevern博士邀请他们为这本特刊撰稿，并感谢Gabriel Cretin先生在解决诸多技术问题中表现出的持续友善。