多尺度模拟与界面热点图谱解析VCP致病突变R95G介导的结构动力学紊乱机制及其在IBMPFD/ALS中的治疗意义

本研究针对VCP/p97蛋白N端DPBB结构域中致病突变R95G如何破坏β-桶稳定性、削弱gp78辅因子结合这一关键科学问题，整合AlphaFold3建模、多分辨率分子动力学模拟（1.2 μs全原子/12 μs粗粒度）及结合自由能计算，揭示该突变通过β-桶构象异质性增加和长程变构耦合破坏导致gp78结合热力学受损的分子机制，为靶向挽救VCP功能的药物设计提供结构动态学框架。

　　

在神经退行性疾病研究领域，Valosin-containing protein（VCP/p97）作为AAA⁺
ATP酶家族的核心成员，其功能紊乱与包含体肌病伴早发性帕金森病和额颞叶痴呆（IBMPFD）、肌萎缩侧索硬化（ALS）等重大疾病密切相关。尽管已知N端双ψβ-桶（DPBB）结构域的R95G突变会导致严重表型，但该突变如何通过原子尺度的结构动力学变化引发VCP功能失调，仍是亟待破解的科学谜题。印度理工学院（瓦拉纳西）的Amar Jeet Yadav和Aditya K. Padhi团队在《Computers in Biology and Medicine》发表的研究，通过创新性整合计算生物学与生物物理方法，首次系统揭示了R95G突变从局部结构破坏到全局功能紊乱的级联机制。

研究团队运用AlphaFold3进行野生型/突变体VCP_DPBB及全长蛋白的结构预测，结合PROCHECK验证模型质量（ favored区域>90%）。通过全原子分子动力学（AAMD）和粗粒化分子动力学（CGMD）模拟累计13.2微秒，辅以伞采样和MM/PBSA结合自由能计算，构建了突变体构象能量景观。界面热点图谱分析采用高通量蛋白质重设计策略，关键实验数据来自国家超算中心PARAM Shivay平台。

蛋白结构预测与验证
AlphaFold3建模显示R95G突变导致DPBB域β-桶关键氢键网络断裂，PROCHECK验证突变体97.5%残基位于拉氏图优选区，但分子动力学揭示其β3-β4转角区RMSF波动增加2.3倍。

野生型与突变体VCP结构动力学差异
全原子模拟发现R95G使β-桶溶剂可及表面积增加47%，D1-D2 ATP酶域间夹角变异系数达野生型的2.8倍，提示长程变构通讯受损。粗粒化模拟捕获到突变体特有的"半开放"中间态，其出现频率与gp78解离率呈正相关。

gp78结合热力学分析
MM/PBSA计算显示突变体结合自由能增加6.8 kcal/mol，伞采样获得的解离势垒降低3.2 kcal/mol。自由能景观揭示突变体存在三个低占据率（<15%）的亚稳态，其结合界面盐桥数量较野生型减少83%。

讨论与结论
该研究首次阐明R95G通过三重致病机制：（1）破坏DPBB域β-桶机械稳定性；（2）诱导D1-D2域变构耦合缺陷；（3）产生高动态性gp78结合界面。特别值得注意的是，界面热点图谱鉴定出E91-R143静电网络作为变构信号传导枢纽，其扰动直接导致结合口袋形态畸变。这些发现不仅解释了IBMPFD/ALS患者中观察到的蛋白聚集现象，更为开发小分子稳定剂提供了精确靶点——针对β-桶结构刚性化的化合物可能恢复VCP的蛋白酶体调控功能。

这项工作的创新性体现在多尺度模拟策略的协同应用：全原子模拟解析原子精度细节，粗粒化模拟捕获毫秒级构象变化，而自由能计算定量评估突变致病性。研究者建立的"局部缺陷-全局失调"理论框架，为理解其他AAA⁺
ATP酶突变导致的蛋白病提供了范式。文末特别指出，该计算体系预测的变构通路需通过冷冻电镜和氢氘交换质谱进行实验验证，而基于热点残基设计的肽类抑制剂正在动物模型中进行功效测试。