基于NMR数据的羊毛硫肽计算结构预测揭示被低估的肽链灵活性

这篇综述创新性地将NMR实验数据与Rosetta计算建模相结合，系统研究了羊毛硫肽（lanthipeptides）的构象动态特性。研究通过开发新型力场参数实现了对硫醚键（lanthionine rings）和脱水氨基酸（dehydroalanine/dehydrobutyrine）的精准建模，采用集合平均NOE距离约束方法，首次揭示这类抗菌肽未被充分认识的构象灵活性特征，为基于结构的理性设计提供了新范式。

　　

1 引言

抗生素耐药性危机促使人们重新关注天然抗菌肽的开发。作为核糖体合成后修饰肽（RiPPs）的重要亚类，羊毛硫肽通过特征性的硫醚交联（lanthionine rings）形成刚性结构，其典型代表nisin自1953年即应用于食品防腐。然而现有分子建模工具如Rosetta缺乏对硫醚环和脱水氨基酸的参数支持，严重制约了这类化合物的理性设计。

2 结果

2.1 参数化突破

研究团队创新性地建立了硫醚环的键长（1.81?）、键角（~100°）和扭转角参数，其中甲基羊毛硫氨酸（methyllanthionine）额外引入涉及甲基的 improper dihedral 项。通过M05-2X/6-311G(d,p)泛函扫描，首次获得脱水氨基酸的拉氏构象图（Ramachandran plot），发现sp²杂化α碳显著改变了其构象偏好。

2.2 集合建模新策略

突破传统NMR结构解析中"单结构满足所有约束"的局限，采用集合平均NOE距离公式：d_αβ^* = (1/N Σ(d_αβⁱ)^-6)^-1/6。分析10个PDB结构显示，Rosetta生成的集合在保持实验数据吻合度（~0.5?偏差）的同时，能量评分降低23%，且骨架RMSD分布范围扩大2-3倍，提示现有PDB结构可能低估了实际柔性。

2.3 螺旋肽动态特征

以6VE9为例，TALOS-N预测其核心序列"GLGV"应呈螺旋构象，但NOE数据支持存在环状构象。Rosetta集合揭示该区域存在双稳态：7-10位或10-13位可形成非螺旋转折，这种构象异构化完美协调了看似矛盾的螺旋预测与NOE约束。类似地，6VGT中连续三个甘氨酸形成的分子铰链使两段螺旋可发生~30°的相对摆动。

2.4 非结构化肽的奥秘

对6VLJ等无规卷曲肽的分析发现，相邻硫醚环间缺乏疏水核心稳定，导致"三明治"构象并非能量最低状态。特别值得注意的是7JVF中的九元硫醚环，尽管存在重叠环约束，但因含两个甘氨酸且缺乏分子内氢键，其构象波动可达3? RMSD，颠覆了"环化即刚性"的传统认知。

2.5 阻转异构体筛选

在1AJ1和7JU9中首次发现不可互转化的阻转异构体（atropisomers），其能量势垒>15 kcal/mol。通过定义特征性四原子平面（Cα-Cα-Cα-Cα）成功区分不同异构体，这类构象陷阱与天然产物tryprostatin A的稳定性机制相似。

3 讨论

该研究揭示了羊毛硫肽构象调控的三大规律：

1）非环化区域（尤其是甘氨酸富集区）是主要柔性来源

2）硫醚环刚性取决于内部氢键网络和氨基酸组成

3）重叠环可能产生动力学稳定的阻转异构体

研究同时指出当前局限性：SHIFTX2和TALOS-N等工具无法处理非经典氨基酸的化学位移预测，且环化模式无法从序列直接预测。值得注意的是，AlphaFold2对螺旋肽的预测准确性较高，但其对含非经典氨基酸的短肽预测仍需谨慎验证。

4 方法学创新

研究建立了双轨制预测流程：

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  螺旋肽采用AlphaFold2初筛→Rosetta环化→蒙特卡洛优化

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  非结构化肽采用拉氏空间随机初始化→广义运动学闭环采样

实验约束引入方面，开发了AmbiguousNMRDistance约束项的通用化改造，使其支持非经典氨基酸的NOE数据处理。所有力场参数已整合至Rosetta主分支，配套脚本开源发布于GitHub平台。

这项研究不仅为理解nisin等抗菌肽的膜孔形成机制提供了新视角，更为重要的是，建立的计算框架使基于结构的羊毛硫肽药物设计成为可能，有望加速对抗"超级细菌"的武器研发进程。