Martini3-IDP：优化的粗粒化力场，解锁无序蛋白模拟新可能

在生物分子模拟中，广泛使用的粗粒化（CG）分子动力学（MD）模拟无序蛋白（IDP）时，Martini 3 力场存在 IDP 构象过紧的问题。研究人员针对此开展 Martini3-IDP 模型优化研究，结果显示该模型改善了 IDP 构象，在多方面表现良好，为模拟复杂环境中的 IDP 相关过程提供了有力工具。

　　在细胞的微观世界里，蛋白质是至关重要的 “演员”，其中一类特殊的蛋白质 —— 无序蛋白（intrinsically disordered proteins，IDP），它们没有固定的三维结构，却在细胞的各种活动中发挥着关键作用，如基因转录、细胞信号传导等。然而，想要深入了解 IDP 的 “工作方式” 并不容易。

分子动力学（molecular dynamics，MD）模拟是研究 IDP 的有效手段，但由于 IDP 需要更大的时空尺度来充分采样其构象空间，高精度的原子分辨率模拟受限于当前计算速度，难以实现。这时，粗粒化（coarse-grained，CG）模型成为了有力帮手，它将原子分组表示为单个珠子，计算效率更高，还能保留关键的结构和动力学特征。Martini 模型是生物分子模拟中备受欢迎的 CG 力场之一，可最新的 Martini 3 版本却出现了问题：它模拟出的 IDP 构象过于紧密，与实验测量的回转半径（radius of gyration，R_g）偏差较大，这就像给 IDP 穿上了一件紧身衣，严重限制了其在相关研究中的应用。为了解决这个问题，格罗宁根大学生物分子科学与生物技术研究所（Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute, University of Groningen）等机构的研究人员开展了深入研究。

研究人员通过对比 Martini 3 与原子分辨率模拟的结果，发现两者在局部可及构象上存在显著差异。于是，他们以原子分辨率模拟得到的构象分布为参考，对 Martini 3 的键参数进行优化，构建了 Martini3-IDP 模型。这一模型就像是给 IDP 换上了一件合适的衣服，使得 IDP 构象更加舒展，在重现实验测量的 R_g方面有了显著提升。相关研究成果发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，使用 Polyply 和 Martinize2 等工具生成 IDP 和多结构域蛋白（multidomain proteins，MDPs）的拓扑结构和初始结构；然后，利用 Gromacs 软件进行分子动力学模拟，并通过计算 R_g、进行主成分分析（principal component analysis，PCA）等方法对模拟结果进行分析；此外，还运用了实验数据，如小角 X 射线散射（small-angle X-ray scattering，SAXS）数据等，与模拟结果进行对比验证。

下面来看具体的研究结果：

• Martini 3 对 IDP 构象的采样问题：研究人员选取了 9 种典型的 IDP 进行模拟，结果发现 Martini 3 模拟出的 IDP 构象过于紧密，R_g与 SAXS 实验数据相比平均绝对误差（mean absolute error，MAE）达到 1.058nm。进一步分析发现，这一问题并非由序列决定，而是 Martini 3 IDP 模型的普遍特征导致。通过与基于 CHARMM36m 力场的原子分辨率模拟对比，发现 Martini 3 在骨干二面角和侧链取向等方面的分布与原子分辨率模拟存在较大差异。
• 键参数拟合扩展 IDP 构象：由于 IDP 中键参数分布广泛，Martini 之前的版本并未对这些区域定义特定的角度和二面角势能，这导致模型对能量景观的表示不够准确。研究人员基于原子分辨率轨迹，为 Martini3-IDP 引入了通用的 BB-BB-BB-BB 二面角势能和甘氨酸特异性二面角势能，并对骨干键长、键角等参数进行调整。结果显示，Martini3-IDP 在重现参考模拟的二面角分布方面表现更优，能更准确地预测 R_g，MAE 降至 0.387nm，与一些专门开发的 IDP 特异性单残基粗粒化模型相当。
• Martini3-IDP 力场在多结构域蛋白中的应用：多结构域蛋白由 IDR 和折叠结构域组成，在细胞中发挥着重要作用。研究人员使用 Martini3-IDP 力场对 9 种多结构域蛋白进行模拟，结果显示模拟得到的 R_g与实验值吻合良好，表明该模型能较好地描述折叠 - 折叠、折叠 - IDR 和 IDR-IDR 之间的相互作用平衡。此外，研究还验证了 IDR 与折叠结构域之间的多种相互作用机制，如盐依赖的 IDR 尾巴释放、非特异性熵力以及模糊结合等。
• 利用 Martini3-IDP 模型探究 IDP - 配体结合：IDP 作为细胞相互作用组的枢纽，其功能失调与多种疾病相关。然而，由于 IDP 缺乏稳定的三维结构，传统的基于结构的药物设计方法并不适用。研究人员选取了三个典型的 IDP - 配体结合系统进行验证，结果显示 Martini3-IDP 能够在一定程度上预测配体的绝对结合亲和力和相对结合强度，捕捉到配体的结合模式，为基于 IDP 的小分子设计提供了一种低成本且具有一定准确性的解决方案。
• Martini3-IDP 维持 IDP - 脂质膜结合：IDP 与脂质膜的结合在细胞信号传导和锚定等功能中起着关键作用。研究人员对已知与膜相互作用的 CTM 和 TRPV4 两种 IDP 进行模拟，结果表明，尽管 Martini3-IDP 中 IDP 构象相比 Martini 3 有所扩展，但它们与脂质膜的结合倾向并未受到影响，这说明键参数的改进不会损害 IDP 与脂质膜的结合能力。
• Martini3-IDP 模型中的液 - 液相分离（LLPS）：生物分子凝聚物的形成通过 LLPS 过程实现，在细胞的多种功能中发挥重要作用。Martini 3 在模拟 LLPS 时存在相分离过强、低估凝聚物水合水平等问题。研究人员使用 Martini3-IDP 力场对多种 LLPS 系统进行测试，结果显示，该模型能够模拟出稳定的相分离，且凝聚物的蛋白质浓度与实验测量值接近，同时还能捕捉到水动力学的变化以及多相凝聚物中不同组分的分离情况。

在研究结论与讨论部分，研究人员指出，Martini 3 中 IDP 构象过紧的主要原因是缺乏优化的键参数。Martini3-IDP 模型通过优化键参数，在准确描述构象和改善 R_g方面取得了良好的平衡，与实验数据的一致性更好，并且在模拟涉及 IDP 的多种细胞过程中表现出色。然而，该模型也存在一些局限性，如不允许蛋白质二级结构转变、大规模系统模拟仍需大量资源、Martini 3 侧链 - 侧链相互作用有待优化以及参考数据库中某些残基序列不足等。尽管如此，Martini3-IDP 模型的出现，为研究人员深入探究涉及 IDP 的细胞过程提供了强大的工具，推动了相关领域的发展，让我们对细胞微观世界的理解又向前迈进了一步。