分子动力学对酚溶性Modulin单体膜依赖性折叠机制的探究

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：Molecular Dynamics Insights into the Membrane-Dependent Folding of Phenol-Soluble Modulin Monomers

分子动力学模拟研究α-PSM单体在DOPC/DOPG膜脂中的折叠机制，发现膜脂环境显著影响折叠动能与稳定性，DOPG作用更显著，结果与实验一致，揭示胞外聚合酶关键初始折叠过程。

　　

王桂燕|刘叶|张宏伟|傅婷|孙轩|刘欣|褚慧英

大连海洋大学信息工程学院，中国辽宁省大连市沙河口区黑石礁街52号12

摘要

酚溶性调节蛋白（PSMs）是金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的关键毒力因子。尽管已经研究了多种α-PSMs的聚集及其对细胞代谢的影响，但作为聚集基础前提的单个α-PSM单体的初始折叠过程尚未从分子相互作用机制的角度进行探讨。以往的分子动力学（MD）研究主要集中在多PSM复合物上，而忽略了单分子在脂质环境中的折叠过程。为填补这一空白，本研究将重点从聚集转向折叠过程，通过大量MD模拟系统地研究了单个α-PSM单体如何折叠成稳定的α-螺旋结构，并在不同膜环境中保持这种二级结构。我们对两种已折叠的α-PSMs（α-PSM1和α-PSM3）及其线性对应物（α-PSM1lin和α-PSM3lin）在水溶液以及两种膜脂质双层（分别由DOPC和DOPG组成）中的折叠过程进行了十四次独立模拟。利用DSSP、二级结构相关指标、天然接触（NC）和MMGBSA分析方法，我们表征了α-PSMs的折叠特性及其与膜的相互作用。研究结果表明，DOPC和DOPG都会减缓α-PSM1和α-PSM3的折叠动力学，其中DOPG对折叠能量的影响更为显著。这些MD研究结果与实验观察一致，并为α-PSM折叠的关键早期阶段提供了新的机制见解，这一阶段影响着后续的毒力相关聚集过程。

引言

酚溶性调节蛋白（PSMs）是由金黄色葡萄球菌产生的两亲性肽类毒力因子，通过细胞裂解、免疫逃逸和生物膜形成等方式对其致病性起关键作用[1]、[2]、[3]、[4]。此外，PSMs在皮肤和软组织感染的发病机制中也起着重要作用[5]、[6]，并会加速败血症的发展，导致更高的死亡率[7]、[8]、[9]。根据序列长度，PSMs大致分为α型（如α-PSM 1–4，约20–25个残基）和β型（如β-PSM 1–2，约40个残基）[10]。其中，α型PSMs，特别是α-PSM1和α-PSM3，具有强烈的细胞裂解活性，在与宿主细胞膜的相互作用中起着核心作用[14]、[15]。

理解PSMs毒性的关键在于它们从无序单体转变为具有膜破坏性的聚集体的过程。以往的研究，包括实验和分子动力学（MD）研究，主要揭示了这一过程的后期阶段：PSMs寡聚体的稳定结构及其在膜上的最终作用方式[10]、[11]、[12]、[13]、[16]、[17]、[18]、[19]。在实验研究中，分别研究了仅由DOPC和DOPG组成的纯膜中α-PSM1和α-PSM3的聚集[37]；在理论研究中，开创性的MD工作追踪了α-PSM3从单体到交叉α纤维的膜调控转变[39]。然而，这些研究通常以预先折叠好的单体开始，或者关注已经结构化的单元的聚集过程。因此，关于单个未结构化的α-PSM单体如何在脂质膜环境中折叠成稳定的α-螺旋这一初始和基本步骤，仍缺乏相关研究。这一折叠事件是所有后续聚集和细胞毒性的前提条件，但其分子细节（如折叠动力学、稳定性以及肽与特定脂质成分之间的相互作用）仍不明确。

为了解决这一问题，我们利用长时间尺度的MD模拟系统地研究了单个α-PSM单体在不同膜环境中的折叠机制，并进行了多维表征。我们选择了两种具有高度细胞毒性的代表性肽类α-PSM1和α-PSM3作为研究对象。为了全面采样它们的构象变化，我们构建了十四个独立的模拟系统，包括它们的折叠态和线性态（分别表示为α-PSM1lin和α-PSM3lin），这些系统设置在水溶液以及两种明确的脂质双层（分别为纯1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸胆碱[20]和1,2-二油酰-sn-甘油-3-磷酸-rac-1-甘油[21]，简称DOPC和DOPG）中，这两种脂质在先前的实验研究中已被使用[37]。采用这种简化方法可以分离膜表面电荷对α-PSM折叠的具体影响。虽然天然细菌膜非常复杂，包含多种脂质类型，但使用纯脂质系统是建立清晰机制理解的第一步，避免了其他变量的干扰。DOPG是细菌膜的主要成分，对其负电荷的形成至关重要，而DOPC则是中性双层膜的常用模型。通过比较这两种系统，我们可以直接评估静电相互作用——肽-膜结合的关键驱动力——对α-PSMs折叠动力学和稳定性的影响。我们的研究还旨在阐明膜组成如何调节α-PSMs在单体层面的折叠途径和稳定性。这些关于关键早期折叠阶段的见解对于全面理解PSMs诱导的毒力机制至关重要，并可为未来的抗毒力治疗策略提供参考。

系统描述

系统定义

为了研究单个α-PSM分子与脂质分子相互作用对α-PSM折叠过程的影响，选择了α-PSM1和α-PSM3作为代表性的α-PSM变体，使用两种典型的脂质DOPC和DOPG作为主要膜成分。DOPC和DOPG的主要区别在于它们的头部基团和电荷特性：DOPC具有中性的胆碱头部基团，而DOPG具有负电荷的甘油头部基团。

DSSP分析

对于包含折叠α-PSM的体系（ID1-ID4），随着时间的推移，DSSP分析显示α-PSM1在DOPC和DOPG膜环境中都保持了稳定的二级结构（SS）。如图4A和图4B所示，α-PSM1保持了螺旋状态；α-PSM3在DOPC和DOPG膜环境中也随时间保持了相同的稳定螺旋状态。DSSP分析得出的结论与α-PSM3的结果一致。可以得出结论，单个折叠的α-PSM分子

结论

在MD轨迹分析中，使用DSSP分析了α-PSM的构象演变，并通过二级结构分配进行了表征。随后计算了正确折叠氨基酸的比率，以分析折叠速度和稳定性。接着进行了天然接触（NC）分析，以研究不同类型脂质与α-PSM之间的相互作用。最后进行了MMGBSA分析。

作者贡献声明

褚慧英：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，项目管理。刘欣：可视化，验证。王桂燕：撰写——初稿，方法学，研究。刘叶：资金获取，正式分析，数据管理。傅婷：资源，方法学。孙轩：软件，方法学。张宏伟：方法学

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFF1204903）、辽宁省教育厅高等学校基本科学研究项目（LJKMZ20221111）以及大连大学跨学科项目（DLUXK-2025-QNYX-007）的支持。