电荷-疏水性空间构型调控阳离子肽在软骨中的转运机制

本研究针对哺乳动物昼夜节律调控核心机制，通过分子动力学模拟与生物化学验证揭示Casein Kinase 1 (CK1)构象动态调控Period (PER)蛋白磷酸化特异性的分子开关机制。研究发现野生型CK1通过激活环"loop down"构象偏好结合FASP稳定区，而tau突变体(R178C)通过构象重编程加速动力学促进pD降解区磷酸化，为昼夜节律紊乱疾病治疗提供新靶点。

　　

在哺乳动物昼夜节律调控系统中，生物钟的精准性依赖于核心蛋白Period (PER)的稳定性调控，而这一过程主要受Casein Kinase 1 (CK1)磷酸化修饰的精确控制。CK1通过特异性磷酸化PER蛋白的不同结构域产生截然相反的生物学效应：对磷酸化降解位点(phosphodegron, pD)的修饰会促进PER蛋白降解，而对家族性进阶睡眠相位(Familial Advanced Sleep Phase, FASP)区域的磷酸化则增强蛋白稳定性。然而，这种底物选择性的分子机制长期以来是领域内未解之谜，特别是CK1如何通过构象动态变化实现不同底物特异性的精确调控，以及tau突变(R178C)为何会导致昼夜节律周期缩短的现象，亟需从原子层面揭示其机理。

为解析这一科学问题，由Clarisse Gravina Ricci和Jonathan M. Philpott等研究人员组成的团队在《Biophysical Journal》发表了创新性研究成果。他们通过整合多种先进计算模拟技术与生物化学验证方法，首次构建了CK1构象动态变化的完整景观图，揭示了激活环(activation loop)作为分子开关控制底物选择性的工作机制，并发现潜在的药物靶向口袋，为调控昼夜节律提供了新策略。

研究主要采用分子动力学模拟(Molecular Dynamics, MD)构建野生型和tau突变体CK1的构象集合，通过马尔可夫状态模型(Markovian State Models, MSMs)整合多组独立模拟数据，并应用高斯加速分子动力学(Gaussian accelerated molecular dynamics, GaMD)技术首次实现CK1与未磷酸化FASP motif复合物的分子建模。这些计算发现通过in vitro kinase assays（体外激酶实验）进行生化验证。

构象景观揭示激活环的分子开关作用

通过大规模分子动力学模拟构建的构象能量景观表明，野生型CK1偏好采用"loop down"的构象状态，这种构象通过形成特定的电荷-疏水性空间配置，为FASP motif提供了最优结合界面。相反，tau突变体(R178C)显著改变激酶的构象平衡，使激活环转向另一种空间构型，同时加速了蛋白整体的构象动力学速率。这种构象重编程导致结合裂穴的结构重塑，削弱了与FASP区域的结合能力，从而促进对pD区域的磷酸化偏好。

底物选择性机制的原子层面阐释

GaMD模拟首次揭示了CK1与未磷酸化FASP motif的结合模式，发现激活环的构象变化直接调控底物结合裂穴的几何形状和静电分布。野生型中稳定的"loop down"构象通过形成特定的氢键网络和疏水核心维持与FASP的高亲和力，而突变体则通过破坏这些相互作用增强构象柔性，使激酶更易接近pD序列。

潜在靶向口袋的发现

研究人员在激酶结构中发现一个先前未表征的变构口袋，该口袋的构象与激活环状态密切耦合。分子对接表明该位点可被小分子结合，从而稳定特定的激活环构象，这为开发调控CK1底物选择性的化学干预手段提供了结构基础。

本研究通过多尺度计算模拟与实验验证相结合，系统阐明了CK1激酶通过构象动力学调控底物选择性的分子机制，特别是激活环作为核心分子开关的关键作用。野生型CK1的"loop down"构象优先稳定FASP结合，而tau突变通过改变构象平衡和动力学速率促进pD磷酸化，这从原子层面解释了tau突变导致昼夜节律缩短的机理。更重要的是，变构口袋的发现为开发靶向CK1构象状态的小分子调节剂奠定基础，有望为昼夜节律紊乱相关疾病提供新型治疗策略。该研究不仅深化了对生物钟调控机制的理解，也为基于构象动力学的激酶特异性调控提供了范式。