磷酸果糖激酶-1组装的多尺度模拟：揭示特异性相互作用与瞬态相互作用之间的相互作用

《The Journal of Physical Chemistry B》：Multiscale Simulation of Phosphofructokinase-1 Assemblies: Capturing the Interplay between Specific and Transient Interactions

PFK1酶四聚体通过Interface 1和2形成纤维结构，其稳定性依赖关键残基的氢键和盐桥作用。现有粗粒度力场（Martini 3和OPEPv7）因未精确描述Asn702等残基的特异性相互作用，无法区分同源体差异或预测突变效应。通过添加Asn702的额外氢键参数优化力场，显著提升纤维稳定性模拟精度及突变体识别能力。研究为代谢酶组装建模和粗粒度模型改进提供新策略。

　　磷果糖激酶-1（PFK1）是一种在糖酵解途径中起关键作用的酶，它通过催化果糖-6-磷酸转化为果糖-1,6-二磷酸来调控糖酵解的速率。在哺乳动物细胞中，PFK1存在三种不同的同工酶：PFKL（肝脏）、PFKM（肌肉）和PFKP（血小板），它们在调控机制上具有显著的差异。PFKL具有形成丝状结构的能力，这种结构被认为是糖酵解过程中空间组织的重要基础。然而，尽管PFKL的丝状组装已被广泛研究，但其分子相互作用的细节以及不同同工酶在形成此类结构上的倾向性仍不完全清楚。

PFK1的丝状结构在细胞内可能承担多种功能，包括促进糖酵解的局部调控、增强底物传递效率以及在细胞应答中组织代谢通路。此外，研究还表明，PFKL可能通过其丝状结构与其他糖酵解酶或细胞内其他分子（如肌动蛋白及其相关蛋白）相互作用，从而参与更广泛的细胞过程。因此，深入了解PFK1丝状结构的形成机制及其与其他分子的相互作用，对于全面理解糖酵解酶在活细胞中的功能具有重要意义。

在本研究中，我们结合粗粒化和全原子分子动力学（MD）模拟，以揭示PFK1四聚体之间的相互作用及其更高阶的组装行为。我们选择了Martini和OPEPv7两种粗粒化力场，用于模拟PFKL和PFKP的相互作用。Martini力场以其在处理大分子系统和长时间尺度模拟的能力而著称，而OPEPv7则被优化以模拟拥挤蛋白质溶液中的动态和瞬时相互作用。我们的研究结果表明，尽管这两种力场能够识别PFK1丝状结构的形成，但在描述具体侧链相互作用方面仍存在局限。

在Martini 3力场的模拟中，我们观察到PFKL和PFKP四聚体之间存在多种瞬时相互作用，这些相互作用主要集中在丝状形成界面（Interface 1和Interface 2）以及一些非特异性区域，如表位区域和ATP结合位点附近的残基。这些相互作用可能对PFK1的活性和其在糖酵解酶复合体中的调控起到重要作用。然而，Martini 3模型在描述PFKL和PFKP之间的差异时表现出不足，未能准确预测PFKP由于缺乏形成丝状结构的能力而表现出的稳定性差异。同样，在OPEPv7力场的模拟中，PFKL四聚体的丝状结构未能稳定形成，而PFKP则表现出更高的稳定性，这表明OPEPv7力场在捕捉PFK1丝状结构的形成方面也存在一定的挑战。

为了进一步验证这些发现，我们进行了全原子MD模拟，分析了PFKL和PFKP四聚体在丝状结构中的相互作用。通过结合实验数据和模拟结果，我们发现PFKL丝状结构的稳定性主要依赖于Interface 1中的特定侧链相互作用，尤其是Asn702残基的氢键形成。在PFKL中，Asn702与相邻四聚体中的Gly512形成氢键，并且其侧链还与其他Asn702残基相互作用，从而增强丝状结构的稳定性。然而，在PFKP中，由于Asn702被替换为Thr，这种关键的氢键相互作用被削弱，导致丝状结构的不稳定性。

为了改进现有粗粒化模型对PFK1丝状结构的描述，我们提出在Martini 3力场中引入额外的氢键相互作用参数，以更准确地模拟Asn702残基在丝状结构中的作用。这一修改显著提高了PFK1丝状结构的稳定性，并能够正确再现Asn702突变为Thr所引起的结构破坏效应。此外，我们还发现，这种修改不仅有助于更精确地模拟PFKL与PFKP之间的差异，也为其他类似蛋白质-蛋白质相互作用的研究提供了参考。

本研究的结果表明，当前的粗粒化模型在描述特定的氢键相互作用方面存在不足，尤其是在模拟复杂生物分子系统时，需要在模型中引入更精细的相互作用参数。虽然Martini 3和OPEPv7模型在捕捉PFK1丝状结构的形成方面表现出一定的能力，但它们在区分不同同工酶的形成倾向性和准确描述特定相互作用方面仍有待完善。通过引入额外的氢键相互作用参数，我们能够更准确地模拟PFK1丝状结构的稳定性，并为未来研究提供了一种改进粗粒化模型的策略。

总的来说，本研究为在分子水平上理解糖酵解酶的组装提供了新的视角，并揭示了粗粒化模型在捕捉动态蛋白质复合体中特定与瞬时相互作用之间的微妙平衡方面的挑战。通过结合全原子模拟和粗粒化模型的改进，我们能够更全面地揭示PFK1丝状结构的形成机制及其在细胞代谢中的潜在作用。这些发现不仅有助于更深入地理解PFK1在细胞内的功能，也为其他生物分子组装的模拟提供了重要的理论基础和实践指导。