分子动力学模拟揭示CK1δ/ε构象动态调控昼夜节律核心蛋白PER磷酸化与稳定性的分子机制

本研究针对Casein Kinase 1 (CK1) 如何通过构象动态调控Period (PER) 蛋白磷酸化选择性的科学问题，通过整合分子动力学模拟（MD）、马尔可夫状态模型（MSM）与高斯加速分子动力学（GaMD）技术，首次解析了CK1野生型与tau突变体（R178C）的构象景观差异，发现激活环（activation loop）的"loop down"构象特异性结合FASP稳定域，而tau突变通过重塑结合 cleft 增强pD区域磷酸化效率，为靶向调控昼夜节律提供了新策略。

　　

在哺乳动物中，昼夜节律如同一个精确的生物学时钟，调控着睡眠、代谢和激素分泌等关键生理过程。这个精密系统的核心是由一系列时钟蛋白构成的转录-翻译反馈环，其中Period（PER）蛋白的稳定性直接决定了时钟运行的节奏。而Casein Kinase 1（CK1，亚型δ和ε）正是通过磷酸化PER蛋白，扮演着这个时钟“调速器”的关键角色。然而，一个长期困扰领域的问题在于：为什么同一个激酶能对同一蛋白的不同区域产生截然相反的效应？一方面，CK1对PER的磷酸降解子（phosphodegron, pD）区域的磷酸化会促使其通过泛素-蛋白酶体途径降解；另一方面，对家族性先进睡眠期（Familial Advanced Sleep Phase, FASP）区域的磷酸化却反而稳定PER蛋白。这种选择性磷酸化的分子机制一直未被阐明。此外，在人类睡眠相位前移综合征患者中发现的CK1 tau突变（R178C）会显著缩短昼夜节律周期，这更凸显了理解CK1功能机制的重要性。

为了揭示CK1如何通过其构象动态来编码底物选择性，来自加州大学圣地亚哥分校的研究团队开展了一项综合性的计算与实验研究。他们主要运用了分子动力学模拟（Molecular Dynamics, MD）来捕捉蛋白质原子的运动轨迹，马尔可夫状态模型（Markov State Models, MSM）来整合大量模拟数据并构建完整的构象能景景观，以及高斯加速分子动力学（Gaussian accelerated Molecular Dynamics, GaMD）增强采样技术来克服传统模拟的时间尺度限制，首次获得了CK1与未磷酸化FASP motif结合的分子模型。这些计算发现的结论随后通过体外的生化激酶实验进行了验证。

CK1的构象景观揭示激活环的关键作用

通过分析总计超过毫秒级的模拟轨迹，研究人员发现CK1的激活环（activation loop）并非刚性结构，而是一个高度动态的分子开关。野生型CK1最倾向于采用一种被称为“loop down”的构象状态。在这种状态下，激活环向下折叠，形成了一个适合与FASP motif结合的特异性口袋。这种构象偏好为CK1优先磷酸化FASP区域并稳定PER蛋白提供了结构基础。

Tau突变体（R178C）重塑构象动态与结合 cleft

与野生型相反，tau突变体（R178C）显著改变了CK1的能景景观。该突变并不直接破坏激酶的核心催化功能，而是通过引入一个新的盐桥相互作用，稳定了激活环的另一种构象。这种构象变化进一步重塑了底物结合 cleft 的几何形状和静电性质，使其更有利于磷酸降解子（pD）类底物的结合和磷酸化，同时却不利于FASP motif的识别。这从机制上解释了为何tau突变会促进PER降解并导致节律周期缩短。

发现潜在的可靶向调控口袋

除了阐明机制，研究还有一个重要发现。他们在激酶结构域中发现了一个之前未被重视的潜在变构口袋。分子模拟显示，这个口袋的构象与激活环的状态（“loop up”或“loop down”）存在耦合关系。因此，设计能够结合这个口袋的小分子化合物，有望人为地调控CK1的构象状态，从而选择性地影响其底物磷酸化偏好，为开发针对昼夜节律紊乱的新型 therapeutics 提供了精准的靶点。

本研究通过多尺度的计算模拟与实验验证，首次构建了CK1δ/ε在原子分辨率上的构象动态模型，揭示了其底物选择性磷酸化的全新机制：即由激活环的构象变化作为分子开关来控制。野生型CK1的“loop down”构象偏好FASP结合以稳定PER，而tau突变则通过改变该开关的构态平衡，偏向于磷酸化pD区域从而加速PER降解。这一发现不仅解决了昼夜节律生物学中一个长期存在的机制难题，更重要的是，它所揭示的变构调控机制和潜在药物结合口袋，为未来开发以蛋白质动力学为靶标、能够精确调节生物钟周期的小分子药物奠定了坚实的理论基础，展现了从“动态结构”视角理解疾病机制和进行药物发现的新范式。该研究发表于《Biophysical Journal》。