基于多正则分子动力学的动态对接模拟揭示MR1识别天然化合物及其激活MAIT细胞的分子机制

《Scientific Reports》：Molecular recognition of natural compounds by MR1 and their implication in MAIT cell activation elucidated through McMD-based dynamic docking simulations

本研究针对MR1（主要组织相容性复合体I类相关蛋白）如何特异性识别核黄素衍生物并激活MAIT（黏膜相关恒定T）细胞这一免疫学关键问题，通过多正则分子动力学（McMD）动态对接模拟，系统分析了PLI、PLIII和RBF与MR1的结合机制。研究发现PLI和PLIII能以类似高亲和力配体1VY的方式特异性结合MR1的A'位点并支持TCR识别，而RBF则以非特异性方式结合且无法激活MAIT细胞。该研究首次从原子层面揭示了MR1通过区分微生物代谢物与必需营养素来避免自身免疫反应的进化机制，为感染免疫和自身免疫疾病治疗提供了新视角。

　　

在人体免疫系统的精密防御网络中，有一类特殊的"哨兵"——黏膜相关恒定T细胞（MAIT细胞），它们能够快速识别被细菌感染的细胞并启动免疫反应。这种识别过程依赖于一种名为MHC-I类相关蛋白（MR1）的分子，它像一把"智能钥匙"，通过呈递细菌特有的代谢物来激活MAIT细胞。有趣的是，细菌合成维生素B₂（核黄素，RBF）的能力是它们的"阿喀琉斯之踵"，因为哺乳动物自身不能合成这种必需营养素。MR1正是利用这一差异，通过识别RBF合成途径的中间产物来区分"敌我"。

然而，科学界长期存在一个谜题：为什么MR1能够被RBF的衍生物（如光发光素I（PLI）和III（PLIII））激活MAIT细胞，而RBF本身却无法引发免疫反应？这个问题的答案对于理解免疫系统如何精准区分病原体信号与自身营养物质至关重要，也可能为感染性疾病和自身免疫病的治疗提供新思路。

为了解决这一难题，由Gert-Jan Bekker和Narutoshi Kamiya领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了最新研究成果。他们采用了一种名为多正则分子动力学（McMD）的先进模拟技术，对MR1与四种天然配体（1VY、PLI、PLIII和RBF）的结合过程进行了系统性分析。这项研究首次在原子层面揭示了不同配体结合MR1的动态过程及其对T细胞受体（TCR）识别的不同影响。

研究人员主要运用了多正则分子动力学（McMD）动态对接模拟技术，该技术能够全面探索配体与受体之间的结合路径和能量景观。他们以实验确定的MR1-1VY-TCR三元复合物结构（PDB ID: 4L4V）为模板，构建了PLI、PLIII和RBF的参考结合模型。每个系统进行了12微秒的McMD采样，通过自由能景观分析鉴定稳定的结合构象，并利用常规分子动力学模拟验证结合构象的稳定性。最后，通过将获得的MR1-配体复合物与TCR结构对接，评估了各结合模式支持MAIT细胞激活的潜力。

结果

MR1与1VY的结合机制验证方法可靠性

研究首先以已知晶体结构的1VY为对照，验证模拟方法的准确性。McMD模拟成功重现了实验观察到的结合模式（r3^1VY），该构象中配体的核糖基尾部与Arg94形成氢键网络，与TCRαTyr95产生关键相互作用。尽管存在一个能量更优的替代结合模式（r1^1VY），但其核糖基朝向不利于TCR识别。高温（400K）稳定性模拟证实r3^1VY构象最稳定，表明该方法能可靠预测生理相关的结合模式。

PLI以双重结合模式与MR1互作

研究发现PLI存在两个主要结合模式：r1^PLI和r2^PLI。前者通过羧基与Arg9-Tyr62形成氢键网络，虽热力学更稳定但核糖基尾部未暴露；后者则完美复刻了1VY的结合姿态，核糖基向外伸展并可桥接MR1的Tyr152与TCR的Tyr95。这表明TCR的结合可能驱动构象选择，使r2^PLI成为激活MAIT细胞的功能性构象。

PLIII通过最优构象支持TCR识别

PLIII的顶级结合模式r1^PLIII将其双环支架嵌入由Tyr7、Trp69等形成的疏水口袋，核糖基尾部与Arg94结合并朝向溶剂区。该构象与TCR仅存在轻微空间冲突，可能通过诱导契合实现优化。而另两种结合模式（r2^PLIII和r3^PLIII）或因尾部朝向错误、或因相互作用弱，均无法有效支持TCR结合。

RBF以非特异性结合阻碍免疫激活

与PLI/PLIII相反，RBF呈现出多达六种结合模式，其中两种甚至占据通常不参与TCR识别的F'位点。这些构象的核糖基尾部或深埋于结合口袋、或指向错误方向，导致其无法与TCR形成有效界面。更重要的是，将RBF强制置于类似1VY的激活构象需要将其亲水部分埋入疏水口袋，这在能量上极为不利。这种固有的结构不兼容性解释了为何RBF无法触发MAIT细胞激活。

讨论与结论

本研究通过高精度的动态对接模拟，揭示了MR1区分微生物信号与自身营养素的分子机制。研究表明，PLI和PLIII能够模拟1VY的高特异性结合模式，将其核糖基尾部暴露于溶剂，为TCR识别提供关键界面。而RBF则因结构限制，只能以非特异性方式结合，且其核糖基无法形成适合TCR结合的构象。

这一发现具有重要的生物学意义：MR1似乎进化出了避免识别完整RBF的机制，从而防止对必需营养素的自身免疫反应。相反，它选择性地识别微生物特有的RBF前体或代谢物（如PLI和PLIII），将其作为感染危险信号。这种精准的识别策略既保障了机体对病原体的快速反应，又避免了对重要营养素的误攻击。

从技术层面看，该研究展示了McMD动态对接在复杂生物分子识别过程中的强大预测能力。该方法不依赖于初始构象假设，能够全面探索结合路径和构象空间，为研究其他免疫受体-配体相互作用提供了新范式。

未来，这些发现可能指导针对MAIT细胞的新型免疫疗法开发，例如通过设计类似PLI的激动剂增强抗感染免疫，或利用RBF的非激活特性抑制过度免疫反应。同时，该研究也为理解免疫系统如何平衡"自我"与"非我"识别这一基本科学问题提供了重要见解。