生物分子结构k均值聚类方法揭示微管与无序蛋白CKAP4的结合模式及其在癌症转移中的机制

这篇研究创新性地开发了生物分子结构k均值聚类（BS-KC）方法，通过整合全局和局部能量最小值分析，首次在原子水平阐明了CKAP4无序区（IDR）与微管（MT）结合的分子机制。研究发现IDR1的熔球态构象（class 2）通过密集氢键网络主导微管结合，为癌症力学微环境驱动的转移提供了新见解。

　　

引言

癌症的力学生物学特性是驱动转移的关键因素，其中微管（MT）的动态调控处于核心地位。细胞骨架相关蛋白4（CKAP4）作为力学响应蛋白，其内含的无序蛋白区域（IDR）在机械应力下介导微管分支，但缺乏固定构象的特性阻碍了分子机制解析。传统实验技术如冷冻电镜和核磁共振面临高成本限制，而AlphaFold等AI工具对IDR结构预测存在局限。本研究聚焦CKAP4-IDR1与微管的相互作用，开发了生物分子结构k均值聚类（BS-KC）方法，结合分子动力学（MD）模拟和能量计算，揭示了IDR1的熔球态构象在微管结合中的核心作用。

BS-KC分析流程

BS-KC方法突破传统k均值聚类局限，采用均方根偏差（RMSD）作为结构相似性度量，通过迭代更新代表构象而非虚拟质心，实现对IDR动态构象的高效聚类。流程分为三步：

1. 信息采集：对CKAP4-IDR1进行2微秒MD模拟，计算轨迹中每对结构的RMSD；
2. 聚类核心：随机选择初始代表构象，通过最小化簇内RMSD和轮廓系数评估，筛选出高重现性构象；
3. 复合物组装：将代表性IDR1构象与微管对接，构建结合复合物。

IDR1构象动态与微管结合特征

模拟显示IDR1从线性肽链逐步折叠为球状构象，关键盐桥（如ASP30-ARG70、LYS34-ASP31）稳定了熔球态。BS-KC识别出三类主导构象：

• Class 1：早期稳定构象（160-200 ns），RMSD>10?；
• Class 2/3：高重现性构象（占比>60%），形成密集氢键网络。静电分析表明，IDR1表面带正电，与带负电的微管界面产生强吸引力。

结合机制与能量景观

MM/PBSA计算显示Class 2构象结合自由能最低（-120 kcal/mol），其特点包括：

1. 静电优势：Coulomb结合能贡献占比70%，极性残基形成稳定电场线网络；
2. 空间适配：ARG106插入微管α/β异源二聚体间隙，辅助螺旋基序（100-150残基）平铺于微管表面；
3. 氢键主导：高占据率氢键（如ARG106-GLU417，占有率>80%）维持复合物稳定性。

讨论与展望

BS-KC方法规避了传统能量最小化陷阱，通过构象频率统计更真实反映IDR功能状态。该工作不仅阐明CKAP4介导的微管重塑如何促进癌细胞迁移，还为IDR相关蛋白互作研究提供了普适性分析框架。未来可拓展应用于其他相分离体系，如Tau蛋白或EB1凝聚体与微管的互作机制解析。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）