基于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稳定性的变构机制

本研究通过整合分子动力学模拟与生化实验，揭示了Casein Kinase 1 (CK1) 通过激活环构象转换调控Period (PER) 蛋白稳定性的分子机制。研究发现野生型CK1采用"loop down"构象偏好结合FASP结构域促进PER稳定，而tau突变体（R178C）通过改变激活构象加速pD区域磷酸化导致PER降解。该发现为靶向调控昼夜节律紊乱提供了新策略。

　　

在哺乳动物的生物钟调控系统中，Casein Kinase 1 (CK1) 如同一个精准的分子开关，通过磷酸化Period (PER) 蛋白的关键区域来控制其稳定性。这个调控过程存在令人着迷的矛盾现象：当CK1磷酸化PER的磷酸降解子（phosphodegron, pD）区域时，会促使PER蛋白通过泛素-蛋白酶体途径降解；而当其磷酸化家族性进阶睡眠期（Familial Advanced Sleep Phase, FASP）区域时，反而会增强PER蛋白的稳定性。这种双向调控机制如何通过同一个激酶实现，一直是领域内未解的关键科学问题。更令人困惑的是，CK1的tau突变体（R178C）会导致酶活性向pD区域偏好，破坏这种精细平衡，引发家族性睡眠相位前移综合征（FASP）等昼夜节律紊乱疾病。

为揭示CK1底物选择性的分子编码机制，由Clarisse Gravina Ricci和Jonathan M. Philpott领衔的研究团队在《Biophysical Journal》发表了突破性研究。他们通过多尺度分子模拟与生化验证相结合的策略，首次解析了CK1构象动态与底物选择性之间的因果关系。

研究人员主要采用四项关键技术：1）大规模分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，对比野生型CK1和tau突变体（R178C）的构象差异；2）马尔科夫状态模型（Markov State Models, MSMs）整合模拟数据，构建完整的构象能态景观；3）高斯加速分子动力学（Gaussian accelerated Molecular Dynamics, GaMD）增强采样技术，首次实现CK1与未磷酸化FASP motif的复合物建模；4）体外激酶实验（in vitro kinase assays）对模拟预测进行生化验证。

构象景观揭示变构调控机制

通过超过微秒级的MD模拟和MSM分析，研究发现野生型CK1主要采用"loop down"的激活环构象，这种状态形成了适合FASP motif结合的结合裂口。而tau突变体（R178C）则显著改变了激活环的动态特性，促使激酶域采用一种新的构象状态，这种构象重塑了底物结合界面，不利于FASP的结合却增强了pD区域的亲和性。

GaMD模拟解析复合物结构

采用GaMD技术成功构建了CK1与未磷酸化FASP motif的复合物模型，揭示了激酶与底物之间的特异性相互作用网络。模拟显示"loop down"构象通过形成特定的氢键和疏水作用稳定FASP结合，而突变体中的构象变化破坏了这些关键相互作用。

生化验证证实模拟预测

体外激酶实验证实了计算模型的预测：tau突变体确实显著增强了对pD模拟肽的磷酸化效率，同时降低了对FASP motif的磷酸化活性。这种活性的转换与激活环构象变化的程度直接相关。

发现潜在变构调控位点

研究还鉴定了一个位于激酶域C叶端的潜在变构口袋，该口袋与激活环存在构象耦合。分子对接表明该位点可作为药物设计的新靶点，通过小分子调控激酶的构象状态来影响其底物选择性。

本研究通过整合计算模拟与实验验证，首次建立了CK1构象动态与底物选择性之间的定量关系模型。研究不仅揭示了tau突变体导致昼夜节律紊乱的分子机制，更重要的是发现了可通过靶向变构口袋来调控激酶构象状态的新策略。这种变构调控策略为开发针对生物钟紊乱疾病的精准治疗手段提供了新思路，避免了直接靶向激酶活性中心可能带来的脱靶效应。该工作建立的多尺度研究方法也可推广到其他蛋白激酶系统的机制研究中，为理解磷酸化调控的变构机制提供了普适性框架。