综述：膜蛋白水合桥接聚合物物理学与生物学

本综述通过分子动力学模拟揭示Casein Kinase 1（CK1）构象动力学调控昼夜节律的分子机制，发现激活环作为分子开关控制底物选择性（FASP/pD磷酸化），为靶向调控生物钟提供新策略。

　　

构象动力学调控的底物选择性机制

哺乳动物昼夜节律的核心调控机制依赖于Casein Kinase 1（CK1）对Period（PER）蛋白的磷酸化修饰。CK1δ和CK1ε亚型通过特异性磷酸化PER蛋白的不同结构域发挥截然相反的生物学效应：磷酸降解子（phosphodegron, pD）区域的磷酸化会触发PER蛋白的泛素化降解途径，而家族性先进睡眠相位（Familial Advanced Sleep Phase, FASP）结构域的磷酸化则促进PER蛋白的稳定性。这种底物选择性的分子编码机制长期以来是领域内的研究重点。

分子模拟揭示构象开关

为解析CK1的构象动力学如何决定其底物偏好，研究团队开展了大规模分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，对比野生型CK1与具有睡眠相位提前表型的tau突变体（R178C）。该突变体表现出对pD磷酸化的显著偏向性。通过马尔可夫状态模型（Markovian State Models, MSMs）整合多维模拟数据，首次构建出CK1构象空间的全局能量景观。结合高斯加速分子动力学（Gaussian accelerated Molecular Dynamics, GaMD）技术，成功解析了CK1与未磷酸化FASP motif结合的分子模型。

激活环的分子开关功能

研究表明，野生型CK1偏好采用“loop down”构象，该构象通过形成特异性氢键网络与FASP结构域稳定结合。而tau突变体则促使激活环采取 alternative conformation，显著加速激酶结构域的动力学波动。这种构象重排导致结合裂隙的拓扑结构发生改变，削弱了与FASP的亲和力，同时增强了对pD的识别能力，最终导向PER蛋白的不稳定化降解。

生物化学验证与治疗潜力

in vitro激酶实验证实了计算预测的可靠性：tau突变体确实表现出对pD磷酸化效率的显著提升。更重要的是，研究团队在激酶结构域中发现了一个潜在的可药物化口袋，该口袋的配体结合可能调控激活环的构象状态，从而实现对昼夜节律周期的定向调节。这为开发针对睡眠障碍、昼夜节律紊乱相关疾病的新型治疗策略提供了结构基础。

整合视角下的生物学意义

该项研究通过整合计算模拟与实验验证，首次建立了CK1构象动力学与底物选择性之间的定量关系，揭示了激活环作为分子开关的核心功能。不仅阐明了tau突变体导致昼夜节律相位前移的分子机制，更为靶向激酶构象调控的药物设计提供了创新思路，推动了对生理性计时机制和病理状态下节律紊乱的精准干预策略开发。