马尔可夫状态模型揭示调控昼夜节律周期的酪蛋白激酶1动态构象机制

本刊推荐：为探究酪蛋白激酶1（CK1）底物选择性的构象动态编码机制，研究人员通过马尔可夫状态模型（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。研究发现激活环的"loop down"构象特异性结合FASP区域促进PER蛋白稳定，而突变体通过改变构象加速动力学导致PER降解，揭示了调控昼夜节律周期的分子开关机制，为靶向干预提供新策略。

　　

在哺乳动物的生物钟调控系统中，一种名为酪蛋白激酶1（Casein Kinase 1, CK1）的关键酶通过磷酸化周期蛋白（Period, PER）精密地控制着昼夜节律的周期。CK1δ和CK1ε亚型在PER蛋白上表现出独特的双重调控特性：当其磷酸化磷酸降解子（phosphodegron, pD）区域时，会促使PER蛋白通过泛素化途径被降解；而当其作用于家族性先进睡眠相位（Familial Advanced Sleep Phase, FASP）区域时，反而能稳定PER蛋白。这种相反效应的背后机制一直未被阐明，特别是CK1如何通过其构象动态来区分这两种底物的分子原理，以及导致昼夜节律紊乱的CK1 tau突变体（R178C）如何改变这种选择性，成为领域内亟待解决的核心问题。

为了揭示CK1底物选择性的构象编码机制，由Clarisse Gravina Ricci、Jonathan M. Philpott等来自加州大学圣迭戈分校的研究团队开展了一项整合计算模拟与生化验证的研究。他们通过大规模分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，结合马尔可夫状态模型（Markovian State Models, MSMs）和高斯加速分子动力学（Gaussian accelerated Molecular Dynamics, GaMD）技术，首次构建了CK1与未磷酸化FASP motif结合的分子模型，并从能量景观和构象动力学的角度揭示了野生型与突变型CK1的功能差异。该研究成果发表于《Biophysical Journal》，为理解昼夜节律的分子调控机制提供了新的理论框架，并为针对生物钟相关疾病的药物设计提供了潜在靶点。

本研究主要采用以下几项关键技术方法：通过大规模分子动力学（MD）模拟获取CK1野生型及tau突变体（R178C）的构象动态数据；利用马尔可夫状态模型（MSM）整合模拟数据，构建能量景观和状态转移网络；应用高斯加速分子动力学（GaMD）增强采样，获得CK1与FASP motif结合的复合物模型；使用体外激酶实验对模拟预测的底物选择性进行生化验证。

研究结果

马尔可夫模型揭示CK1的构象景观

通过分析累计超过500微秒的MD模拟数据，研究团队构建了MSM来量化CK1的构象状态及其转换动力学。模型显示，CK1的激活环（activation loop）存在多个构象状态，其中"loop down"构象在野生型中占主导，而tau突变体则显著偏向另一种构象状态。这种差异直接影响了底物结合 cleft的形态和动力学特性。

tau突变体加速CK1的构象动力学

比较野生型与突变体的转换速率发现，tau突变不仅改变了平衡构象分布，还显著提高了状态间的转换速率。突变体R178C的引入破坏了激活环与 kinase domain之间的静电网络，导致构象柔性增加，从而加速了整个激酶的动态过程。

GaMD构建CK1-FASP复合物模型

通过GaMD采样，研究人员首次获得了CK1与未磷酸化FASP motif结合的高分辨率模型。模拟显示，"loop down"构象通过形成特定的氢键和疏水相互作用稳定结合FASP，而突变体中的构象变化使这些相互作用被破坏，导致FASP结合能力下降。

体外实验验证构象-功能关联

体外激酶实验表明，野生型CK1对FASP肽段的磷酸化效率显著高于pD肽段，而tau突变体则表现出对pD的高选择性。这些结果与模拟预测的构象偏好高度一致，证实了激活环构象作为底物选择性分子开关的核心作用。

发现潜在靶向口袋

分析构象敏感区域时，研究团队在激酶结构域发现了一个新型变构口袋。该口袋的构象与激活环状态耦合，通过小分子干预该位点可能调控CK1的构象平衡，从而实现对昼夜节律周期的定向调节。

结论与讨论

本研究通过整合计算生物学与生物化学方法，系统地揭示了CK1激酶通过激活环构象变化调控底物选择性的分子机制。野生型CK1倾向于采用"loop down"构象，优先结合并磷酸化FASP区域从而稳定PER蛋白；而tau突变体通过改变激活构象和加速动力学，破坏FASP结合并增强对pD的磷酸化，最终导致PER降解加速和昼夜节律周期缩短。这些发现不仅提供了对生物钟调控核心机制的新认识，还揭示了CK1构态动态在疾病突变中的关键作用。

研究中发现的变构口袋为开发靶向CK1的小分子调节剂提供了新思路，这类调节剂可能通过稳定特定构象状态来纠正突变引起的节律紊乱，或干预正常生物钟以应对轮班工作、时差综合征等昼夜节律相关健康问题。该工作所建立的MSM与GaMD相结合的策略，也为研究其他激酶的构象动态与功能关系提供了可推广的方法学框架。