基于分子动力学模拟的人冠状病毒E蛋白-PALS-1相互作用比较分析揭示毒力差异机制

研究人员针对不同毒力人冠状病毒（hCoVs）的E蛋白PDZ结合基序（PBM）与宿主蛋白PALS-1的相互作用稳定性差异问题，通过500纳秒分子动力学（MD）模拟和MM/GBSA结合自由能计算，发现高毒力hCoVs（SARS-CoV-1/2、MERS-CoV）的E肽能稳定结合PALS-1 PDZ结构域，而低毒力hCoVs（HCoV-229E/NL63）的E肽易解离。该研究首次揭示了E蛋白PBM及其前序残基的构象柔性是决定hCoVs毒力的关键因素，为理解冠状病毒致病机制提供了新视角。

　　

在全球新冠疫情持续演变的背景下，科学家们对冠状病毒致病机制的探索从未停止。一个引人深思的现象是：同属人冠状病毒（hCoVs）家族的成员，为何SARS-CoV-2能引发致命肺炎，而HCoV-229E仅导致普通感冒？这个谜团的答案可能藏在病毒最小的结构蛋白——囊膜蛋白（E蛋白）的尾巴上。E蛋白C端含有的PDZ结合基序（PBM）被证明是决定病毒毒力的关键元件，它能劫持宿主细胞中具有PDZ结构域的蛋白质，如极性蛋白PALS-1，破坏细胞极性并促进病毒传播。然而，所有七种hCoVs的E蛋白都预测含有PBM，为何仅高毒力毒株会造成严重疾病？这个"全有或全无"的现象引发了科学家的强烈好奇。

为解开这个谜题，研究人员开展了一项创新的计算生物学研究。他们采用分子动力学（MD）模拟技术，对高毒力（SARS-CoV-1/2、MERS-CoV）和低毒力（HCoV-229E/NL63）hCoVs的E肽与PALS-1 PDZ结构域的相互作用进行了500纳秒的精细观测。研究团队首先构建了实验解析的复合物（7NTJ、7NTK、4UU5）和建模的E肽-蛋白复合物体系，通过CHARMM-GUI构建系统，使用GROMACS 2023.2软件包进行全原子模拟。为全面评估结合稳定性，研究结合了MM/GBSA自由能计算、DSSP二级结构分析和MDAnalysis相互作用分析等多维技术手段。

轨迹分析部分显示，实验解析的SARS-CoV-1/2 E肽复合物（7NTJ、7NTK）和Crb肽复合物（4UU5）均保持稳定结合，而单独的PDZ结构域（4UU6）表现出更低的RMSD值。值得注意的是，建模的SARS-CoV-1 E肽在所有重复实验中均从PDZ结构域解离，而SARS-CoV-2建模肽却展现出与实验结构相当的稳定性。MERS-CoV建模肽表现出最强的稳定性，其RMSD值甚至低于实验结构。低毒力毒株方面，HCoV-229E建模肽在3/5的重复中保持结合，而HCoV-NL63建模肽在所有重复中均发生解离。

结合自由能计算结果与实验数据高度吻合。Crb肽（4UU5）表现出最强的结合亲和力（ΔG=-45.02±7.79 kcal/mol），SARS-CoV-2实验肽（7NTK）和建模肽分别测得-36.72±6.64和-41.79±7.59 kcal/mol的结合自由能。特别值得注意的是，HCoV-229E建模肽展现出两极分化的结果（ΔG=-18.63±16.55 kcal/mol），反映了其在部分重复中的结合能力。

二级结构分析揭示了决定结合稳定性的关键因素。成功结合的E肽（如7NTJ、7NTK）主要采用柔性环（loop）构象，而解离的SARS-CoV-1和HCoV-NL63建模肽在PBM上游区域形成了刚性更强的κ-螺旋和转折（bend）结构。这种构象差异在HCoV-229E建模肽中尤为明显——保持结合的重复显示柔性环构象，而解离的重复则出现刚性结构。

相互作用分析进一步证实，稳定的E-PALS1结合需要满足特定空间化学准则：PBM起始位置需带负电荷的残基（如Asp/Glu），随后是较小疏水残基（如Leu），且整个肽段需保持足够柔性。这一规律解释了为何MERS-CoV E肽（D-E-W-V）虽不符合理想结合模式仍能保持稳定（通过Trp残基的独特相互作用），而HCoV-NL63 E肽（V-L-N-V）因缺乏起始负电荷和过度刚性导致结合失败。

这项研究首次通过计算模拟系统比较了不同毒力hCoVs的E-PALS1相互作用差异，揭示了决定冠状病毒毒力的分子开关。研究发现，E蛋白PBM的结合能力不仅取决于其氨基酸序列，更受上游残基构象柔性的关键调控。这一发现为理解冠状病毒致病机制提供了新视角：高毒力毒株可能通过维持E蛋白C端柔性，有效劫持宿主PDZ蛋白（如PALS-1）并破坏细胞屏障功能，从而增强组织侵袭性；而低毒力毒株由于构象刚性限制了这种劫持能力。该研究不仅为冠状病毒毒力预测提供了新指标，更为开发广谱抗冠状病毒药物（如靶向E蛋白PBM的抑制剂）奠定了理论基础。未来研究可进一步验证这些计算预测，并探索调控E蛋白构象柔性以减弱病毒毒力的治疗策略。