基于AlphaFold3预测结构的人源酪氨酸酶天然抑制剂分子机制与动力学研究

本研究针对人源酪氨酸酶(hTYR)晶体结构缺失导致的抑制剂开发瓶颈，利用AlphaFold3预测结构开展分子对接与动力学模拟，揭示了熊果苷、谷胱甘肽和海参肽三种天然产物在hTYR与蘑菇源酪氨酸酶(mTYR)中的差异化结合模式，为开发高特异性低毒性美白剂提供了关键理论依据。

　　

在追求肌肤美白的化妆品研发领域，酪氨酸酶一直是最关键的靶点之一。这种含铜氧化酶如同一个精密调控的“色素工厂”，通过催化酪氨酸羟基化启动黑色素合成通路。当这个工厂过度运转时，就会导致雀斑、黄褐斑、老年斑等色素沉着问题。然而令人困扰的是，虽然多种生物来源的酪氨酸酶结构已被解析，但人源酪氨酸酶(hTYR)的晶体结构至今尚未获得，这就像试图用错误的钥匙开锁——研究人员不得不使用序列同源性仅25%的蘑菇源酪氨酸酶(mTYR)进行抑制剂筛选，导致许多在蘑菇酶上表现优异的抑制剂对人体效果不佳或产生毒副作用。

传统抑制剂如氢醌和曲酸虽有效但存在细胞毒性、致敏性甚至致癌风险，这使得开发安全高效的天然源抑制剂成为行业迫切需求。熊果苷(arbutin)、谷胱甘肽(GSH)和海参提取物(CME)作为三类代表性天然成分，虽已被证实具有美白功效，但其与人源酪氨酸酶的确切作用机制仍笼罩在迷雾中。正是为了破解这一难题，武汉理工大学与苏州Divamics公司的研究团队开展了一项创新性计算生物学研究，通过AlphaFold3预测的人源酪氨酸酶结构，首次系统揭示了这些天然抑制剂与人类靶点的分子互作机制。

研究人员采用多尺度计算模拟方法开展研究。首先通过AlphaFold3获得高置信度(pLDDT>90)的hTYR预测结构，与RCSB数据库获取的mTYR晶体结构(PDB: 2Y9X)进行对比分析。使用MOE软件进行诱导契合分子对接，采用MCPB.py构建铜离子参数，利用Gaussian 16在B3LYP/6-31G*水平计算部分电荷。分子动力学模拟在AMBER22中完成，使用AMBER19SB力场，TIP3P水模型，经过500ns模拟后采用MM/PBSA方法计算结合自由能。

结构比较揭示关键差异

研究发现在活性位点12?范围内的18个残基中，hTYR比mTYR含有更多酸性氨基酸（Asp167、Asp178、Asp180、Asp286和Glu184），而mTYR口袋更疏水。两者残基一致性仅11.8%，相似性23.5%，证实基于mTYR的研究不能直接外推至hTYR。关键区别在于mTYR的双铜结合位点位于口袋表面，而hTYR的位点更深埋于蛋白内部，这直接影响抑制剂的结合方式。

熊果苷呈现双结合模式

分子动力学显示β-熊果苷在hTYR中存在两种稳定结合构象：Arbutin_c模式通过羟基苯基与CuB螯合，与D180、E184、S165和S361形成氢键；Arbutin_d模式则通过吡喃葡萄糖苷与CuB配位，与S361和E326形成稳定氢键网络。结合自由能分别为-30.84±1.43和-28.00±0.85 kcal/mol，显著优于在mTYR中的结合效果（-30.22±1.65和-12.47±1.86 kcal/mol）。

谷胱甘肽展现柔性结合优势

GSH凭借γ-谷氨酰键的独特柔性，在hTYR中能深入双铜活性中心形成螯合（GSH_c模式，结合能-22.04±0.95 kcal/mol）。其谷氨酸部分与L2区S165、D180相互作用，半胱氨酸巯基与E326结合，甘氨酸羧基同时配位CuA和CuB。这种“锚定-延伸”结合模式在刚性较强的mTYR口袋中难以实现。

海参肽发现全新抑制机制

最令人惊喜的是海参肽CME在hTYR中表现出独特作用机制——不直接螯合铜离子，而是通过其长侧链与L2、L3、L4区残基（E184、D180、R289和Q359）形成广泛氢键网络，像“塞子”一样封闭口袋入口（CME_d模式，结合能-39.32±0.71 kcal/mol）。这种变构抑制模式为肽类抑制剂设计提供了新思路。

研究最终绘制出关键结合区域图谱：mTYR的C1区（含关键残基N259、E255）是主要结合区域，而hTYR的L2（176-182）、L3（284-292）和L4（356-361）环区成为新型抑制剂设计的重点靶区。这一发现解释了为何许多基于mTYR开发的抑制剂对人源酶效果不佳——它们针对了错误的“靶心”。

这项发表于《Scientific Reports》的研究首次系统比较了天然抑制剂在人与蘑菇酪氨酸酶中的差异化结合机制，不仅为熊果苷、谷胱甘肽和海参肽的应用提供了理论依据，更建立了基于AlphaFold预测结构的计算生物学研究范式。该研究突破了过去因hTYR结构缺失导致的研究困境，证明通过先进计算模拟能够精准预测抑制剂结合模式，显著降低实验筛选成本。特别是发现海参肽通过变构抑制封闭口袋入口的新机制，为开发无法通过传统筛选策略获得的新型肽类抑制剂指明了方向。这些发现对化妆品安全性提升和中药现代化应用具有重要价值，未来可延伸至皮肤病理性色素沉着治疗领域，实现从美容护肤到医疗应用的跨越。