纽蛋白在钙黏蛋白-连环蛋白复合体结构动力学中的作用及其与F-肌动蛋白结合的机制研究

这篇研究通过分子动力学(MD)模拟揭示了纽蛋白(vinculin)通过诱导α-连环蛋白(α-catenin)的M1亚基解折叠，显著增强VABE复合体(VABE complex)的构象灵活性，并提出了熵陷阱机制(entropic trap mechanism)解释其在机械力敏感型F-肌动蛋白(F-actin)结合中的关键作用，为细胞连接(adherens junctions, AJs)的机械信号转导机制提供了新见解。

　　

1 引言

细胞连接(AJs)作为组织完整性的核心结构，其核心组件钙黏蛋白-连环蛋白(ABE)复合体通过连接细胞骨架肌动蛋白(F-actin)实现机械力传导。研究表明，机械张力会招募细胞骨架适配蛋白纽蛋白(vinculin)至AJs，形成VABE复合体，但其分子机制尚不明确。α-连环蛋白天然以同源二聚体存在，其肌动蛋白结合域(ABD)在ABE复合体中已表现出较高灵活性，而纽蛋白结合后通过M1亚基解折叠进一步改变构象动力学。

2 材料与方法

研究采用CHARMM36m力场进行1μs分子动力学模拟，比较α-连环蛋白二聚体、ABE和VABE复合体的结构特征。通过MM-PBSA计算结合自由能，并利用SasCalc模块将模拟轨迹与实验SAXS/SANS数据比对验证。特别关注α-连环蛋白M1亚基与纽蛋白D1结构域的相互作用网络。

3 结果

3.1 模拟验证

理论SAXS/SANS谱与实验数据高度吻合(R-factor~0.1-0.2)，证实模拟采样到真实构象空间。α-连环蛋白/β-连环蛋白界面RMSD约6?，与晶体结构(PDBID:1DOW)偏差在波动范围内。

3.2 M1亚基解折叠增强灵活性

RMSF分析显示VABE中α-连环蛋白波动幅度(70?)显著高于ABE复合体。构象空间计算表明，VABE中ABD采样体积(957,000?³)是ABE复合体的1.6倍，证实纽蛋白结合大幅提升构象熵。β-连环蛋白N端无序区(残基1-103)在VABE中与α-连环蛋白N端缠绕，稳定了亚基间相互作用。

3.3 拉伸-压缩运动模式

主成分分析(PCA)揭示VABE存在特征性全局运动：PC1模式(贡献率85%)表现为N端与C端结构域间的伸缩运动，而ABE复合体仅显示局部扭转。这种大尺度运动促进ABD与F-肌动蛋白的碰撞概率，但也增加其与M1的自抑制接触。

3.4 氢键网络稳定机制

α-连环蛋白M1与纽蛋白D1形成三组氢键网络：第一网络(Y351-H27/S349-Q19)和第三网络(R136-G315/K170-A317)占据率>90%，而第二网络(R329-T61/T64)因精氨酸不稳定仅2.5%占据率。疏水核心(含11个疏水残基)贡献215.7±10.5 kcal/mol结合能，是维持复合体稳定的关键。

3.5 ABD可及性变化

溶剂可及表面积(SASA)分析显示，ABE复合体中α-连环蛋白ABD的H4/H5螺旋暴露面积(3979?²)比二聚体增加48%，而VABE中因"呼吸运动"略降至3566?²。相比之下，激活态纽蛋白ABD的暴露面积(4839.8?²)更具优势，支持其作为主要肌动蛋白结合元件。

3.6 动态结合特征

MM-PBSA显示F-肌动蛋白与α-连环蛋白ABD结合能(-41.4 kcal/mol)弱于与纽蛋白ABD(-35.6 kcal/mol)。静电相互作用虽强(-444.1 kcal/mol)，但被溶剂化能(445.6 kcal/mol)抵消，形成可逆结合模式。富含脯氨酸的连接区(20个Pro/60残基)使纽蛋白ABD更易接近F-肌动蛋白。

4 讨论

研究提出"双重调控模型"：纽蛋白通过稳定α-连环蛋白解折叠态扩大构象空间，同时其自身ABD的高暴露性补偿α-连环蛋白ABD的自抑制倾向。这种动态平衡使VABE复合体既能响应机械力变化，又能维持基础连接强度。研究局限在于未模拟机械张力条件，未来需结合拉伸分子动力学进一步验证熵陷阱机制。