角蛋白异源二聚化的全面计算机模拟分析揭示中间丝组装的结构基础

推荐：本研究通过整合AlphaFold Multimer (AFM)建模、VoroIF-GNN界面评估和FoldX能量计算，系统解析了角蛋白(KRT)异源二聚化的分子机制。研究发现角蛋白异源二聚体比同源二聚体具有更低的相互作用能，且coil 1B区域对二聚体稳定性至关重要。空间转录组分析揭示了生理和病理条件下角蛋白共表达模式，为中间丝(IF)组装提供了新的结构框架。

　　

在细胞骨架的复杂网络中，中间丝(Intermediate Filaments, IFs)扮演着维持细胞机械稳定性的关键角色。其中，角蛋白(Keratin, KRT)家族作为IFs中最大且最多样化的亚群，构成了上皮细胞的重要结构支撑。然而，尽管已知角蛋白通过异源二聚体形式组装，其配对偏好性和分子机制仍存在大量未知。传统实验方法如电子显微镜和X射线晶体学受限于角蛋白的聚合倾向和结构复杂性，仅能解析部分片段结构。这种知识缺口阻碍了对角蛋白相关疾病（如表皮松解症）的深入理解，也限制了对上皮细胞适应性机制的认识。

为突破这些限制，Nicole Schwarz、Rudolf E Leube和Stefan Düsterh?ft团队在《European Journal of Cell Biology》发表研究，开发了一套整合AlphaFold Multimer (AFM)建模、VoroIF-GNN界面质量评估和FoldX能量计算的高通量计算流程。研究以波形蛋白(vimentin)同源二聚体为参照，验证了该流程的准确性，并系统分析了54种角蛋白的异源二聚化特征。

关键技术包括：1) 通过AlphaFold Multimer预测中间丝二聚体结构，聚焦coil 1和coil 2区域；2) 使用VoroIF-GNN评估相互作用界面质量；3) 应用FoldX5计算相互作用能；4) 分析STOmicsDB中的皮肤空间转录组数据（含健康组织、特应性皮炎和皮肤鳞状细胞癌样本）。

研究结果揭示：

1. 1.

   波形蛋白同源二聚体验证模型准确性

   通过分段建模策略（分离coil 1/coil 2），预测结构与实验解析的波形蛋白二聚体（PDB ID: 1GK4）高度吻合（RMSD <2?），证实方法可靠性。

2. 2.

   角蛋白异源二聚体的能量优势

   所有典型I型-II型角蛋白异源二聚体（如KRT1-KRT10、KRT5-KRT14）的相互作用能（ΔΔG低至-313 kcal/mol）均显著优于同源二聚体（ΔΔG高达+50 kcal/mol），其中coil 1B贡献最大（占总相互作用能的60-70%）。

3. 3.

   非经典配对的可能性

   部分替代组合如KRT5-KRT9和KRT6B-KRT14显示出更低的能量（较KRT5-KRT14低15-20 kcal/mol），空间转录组证实这些角蛋白在病理状态（如鳞癌）中共表达，提示生物学相关性。

4. 4.

   疾病突变的结构影响

   对表皮松解性水疱症(EBS)相关突变（如KRT14_R211P）的模拟显示，coil 1B区域的脯氨酸置换使二聚体能量增加47 kcal/mol，直接破坏螺旋间相互作用，而末端突变（如KRT5_E477K）主要影响高阶组装。

5. 5.

   角蛋白-肌动蛋白直接互作预测

   意外发现β-actin与角蛋白coil 2区域存在高置信度结合界面（ipTM>0.7），挑战了传统认为的"仅通过plectin介导"的细胞骨架交联假说。

这项研究的意义在于：

1. 1.

   首次建立角蛋白异源二聚化的全谱能量图谱，揭示coil 1B的核心作用；

2. 2.

   提出"能量梯度"理论解释上皮分化过程中角蛋白转换的分子基础；

3. 3.

   为角蛋白病突变分类提供新标准——通过计算区分"二聚体破坏型"和"组装障碍型"变异；

4. 4.

   发现角蛋白与肌动蛋白潜在直接互作，为细胞骨架协同研究开辟新方向。

该计算框架不仅加速了IF组装机制的解密，也为针对角蛋白相关疾病的精准干预策略设计奠定了基础。未来结合分子动力学模拟和冷冻电镜验证，将进一步推动对中间丝动态组装的全方位理解。