蛋白激酶折叠-别构景观的共享性与多样性：从序列变异到功能调控的热力学解析

本研究针对真核蛋白激酶（EPKs）家族序列变异如何影响其构象集合行为与功能调控的核心问题，通过整合274个EPKs的结构数据进行统计力学分析，揭示了激酶折叠机制的高度保守性、激活过程对稳定性的非保守调控，以及别构网络的热力学耦合机制。该工作为理解激酶功能多样性和药物设计提供了新的热力学视角，发表于Biophysical Journal。

　　

在细胞信号转导的复杂网络中，真核蛋白激酶（Eukaryotic Protein Kinases, EPKs）家族扮演着核心调控者的角色。它们通过催化蛋白质磷酸化，调控包括细胞增殖、分化和凋亡在内的多种生命过程，也因此成为癌症、自身免疫性疾病等领域的重要药物靶点。尽管激酶家族成员在催化核心结构上高度保守，但序列上的细微变异却导致它们表现出迥异的底物特异性、调控机制和药物响应行为。这种功能多样性背后的分子机制是什么？序列变异如何影响激酶的整体构象动态和能量景观？这些问题长期以来困扰着研究者，也限制着针对激酶别构位点的理性药物设计。

为了回答这些难题，Dhruv Kumar Chaurasiya和Athi N. Naganathan开展了一项大规模的计算生物学研究。他们采用了一种基于结构的统计力学框架，对274个真核蛋白激酶进行了深入的元分析（meta-analysis），系统揭示了该家族在折叠（folding）和别构（allostery）层面的共享规律与多样性来源。该研究发表于《Biophysical Journal》，为理解激酶家族的构效关系提供了新的热力学理论基础。

研究主要采用了以下几种关键方法：首先，利用大规模序列与结构比对，构建了覆盖274个EPKs的代表性结构数据集；其次，应用了基于结构的统计力学模型（structure-based statistical mechanical framework），该模型能模拟蛋白质在不同条件下的构象集合（conformational ensemble）和热力学稳定性；此外，通过能量景观理论分析，量化了激酶折叠路径、局部稳定性以及不同区域间的热力学耦合强度；最后，针对特定激酶如Abl kinase，进行了详细的构象集合比较，以揭示激活状态下的稳定性变化和别构传播机制。

研究结果揭示了多个重要发现：

1. 1.
   激酶原生集合中存在多种部分折叠状态
   研究发现，尽管激酶在完全折叠状态下结构相似，但其天然构象集合（native conformational ensemble）中包含多个部分折叠的中间态。这些状态具有明显的结构层次性，尤其体现在N端叶（N-terminal lobe）区域，该区域对催化活性和激活过程至关重要。
2. 2.
   折叠机制在激酶家族中高度保守
   尽管序列存在变异，大多数激酶表现出保守的（去）折叠机制：N端叶优先展开，而C端叶则保持相对较高的稳定性。这一发现表明，功能多样性可能更多来源于构象集合的细微调整，而非根本性折叠路径的改变。
3. 3.
   激活过程以非保守方式调节稳定性和热力学连通性
   激酶的激活（如通过磷酸化或突变）会显著改变其局部稳定性和区域间的热力学耦合。这种调控效应在整个结构中是广泛分布的，并不局限于活性中心。值得注意的是，激活对稳定性的影响在不同激酶之间并不保守，说明序列背景决定了别构调控的具体实现方式。
4. 4.
   Abl激酶的激活导致系统向更折叠、更强耦合的状态转变
   以Abl激酶为具体案例，研究展示了激活如何以梯度方式（graded manner）推动整个蛋白质系统向更紧密折叠、热力学耦合更强的状态演变。这一过程增强了活性位点与已知别构口袋（allosteric pockets）之间的通信效率，为别构药物设计提供了依据。
5. 5.
   序列变异通过调节构象集合影响功能多样性
   通过比较不同旁系同源物（paralogs），研究表明序列变异主要通过改变部分折叠态的种群分布和热力学耦合强度来影响功能，而不是改变折叠的基本机制。

在讨论与结论部分，作者强调该研究首次在大规模范围内系统揭示了激酶折叠-别构景观的共享性与多样性。其意义不仅在于增进了对激酶家族构效关系的理解，更重要的是提供了一套热力学设计原则，可用于预测突变或药物分子对激酶动态和别构行为的影响。此外，该工作表明基于结构的统计力学模型具有强大的预测能力，未来可扩展至其他酶家族的研究中。最终，这项研究为针对别构位点的药物开发提供了新思路，特别是在设计选择性激酶抑制剂方面具有潜在的应用价值。