摘要
SARS-CoV-2的主蛋白酶（SC-2 Mpro）是一种同源二聚体。然而，Shaw课题组近期进行的一项0.1 ms长的分子动力学模拟（DESRES模拟）表明，Mpro从固态到水溶液的过程中很容易发生对称性破坏。结果，亚基呈现出不同的结合口袋构象。通过模拟过程分析，研究者发现了水分子在触发转变中的一个尚未被揭示的重要作用。有趣的是，每个亚基都代表了不同时间长度水分子停留的集合。研究者利用增强采样模拟以及机器学习方法，进一步证实了向不对称状态的过渡本质上是不可逆的。
研究方法
1、分子动力学模拟：研究人员使用了长时间（0.1ms）的分子动力学模拟来观察Mpro在水溶液中的行为。这种模拟能够捕捉到在实验条件下难以观察到的细微构象变化。
2、增强采样和机器学习：为了进一步确认构象变化的不可逆性，研究人员采用了增强采样模拟和机器学习方法。这些技术可以帮助分析复杂的生物分子系统，并揭示隐藏在大量数据中的模式和趋势。
研究意义
Mpro的这种不可逆的构象变化能够影响其活性和与抑制剂的结合方式。理解这种变化的机制可以帮助设计更有效的抑制剂，为未来的抗病毒药物研发提供了新的视角和潜在的靶点。
图文解读
图1 （a, b）两个不同视点的SC-2 Mpro X射线🩻结构图。亚基I（浅蓝色）和A（红色）由结构域I~III组成。亚基I的M形环状结构和亚基A的N端指状结构在虚线圈中以较深的颜色表示。(c)图b为蛋白质示意图。（d-g）在DESRES模拟中观察到的亚基I的对称性破坏过程，该过程发生在0.75到1.035 μs之间。(d) M形环状结构和N端指状结构的初始构象（a）。这两个区域通过Glu166@I-和Phe140@I-Ser1@A的氢键相互作用。(e) 1个水分子进入S1结合口袋，并桥接了His163@I和Tyr161@I。(f) Glu166@I的旋转导致其与N端指状结构的氢键断裂。(g) S1结合口袋水分子的离去会破坏残基His163@I和Phe140@I之间的疏水作用，导致I亚基失活。
图1展示了SARS-CoV-2 Mpro同源二聚体的结构变化。初始时，两个亚基构象高度一致（图1a、1b），图1c为结构简图， 图1d 为S1活性口袋初始结构。750ns后，一个水分子进入S1口袋，桥接His163@I和Tyr161@I（图1e），两亚基开始变化。917ns后，Glu166@I旋转，N端指状结构@A构象改变，破坏与M形环状结构@I的连接（图1f）。最终，水分子离去，留下空腔，His163@I和Phe140@I旋转，导致I亚基催化二元体断裂（图1g），而A亚基保持稳定。这种对称性破缺状态在后续99μs内不变，表明水分子在催化位点破坏中起关键作用。
图2 60.2 μs后SC-2 Mpro中(a)、长(b)寿命水分子在两个亚基中的平均位置。在(a)中，水的分布是不对称的和离域的，而在(b)中，水在两个亚基中的分布是对称的，由四个水化位点（W1−W4）组成。给出了水的最大寿命τmax。
按最后99μs的时长分组，长寿命水分子（存在时间大于5μs）分布在两个亚基对称的四个点（W1~W4）上，寿命随W1到W4增加而增加。W1和W2桥接结构域I和II，W3和W4位于结构域II和III，其中W4中的水被深埋且在整个动态过程中保持不变。若这些点上的水分子离开，会很快被其他水分子取代，表明这些水可能具有稳定结构作用。中等寿命的水分子（寿命在0.5到5μs之间）位于非对称性相关的位置，导致平衡状态的不对称性，它们占据了包含S1结合袋的区域，研究者将该区域称为蓄水池。亚基I和A之间的不对称性体现在水化本质上，I亚基表现出与其水分子含量相关的体积波动。
图3 在60.2 μs后的DESRES模拟中，M形环状结构和N端指状结构在(a)非活性I和(b)活性A亚基中的平衡结构。水占比大于50%的水化位点位置用红色球表示。催化二元体的位置、Phe140和His163之间的堆叠以及S1结合口袋分别用标签(1)-(3)表示。两个亚基之间相关的氢键相互作用用虚线表示。
Mpro的两个亚基构象及相互作用与水含量相关。亚基I中，M形环状结构与A的N端指状结构通过氢键相互作用，Phe140@I芳香环翻转，为水分子进入开辟通道，引发S1结合位点坍塌（图3a）。亚基A中，M形环状结构与N端指状结构相互作用不同，通过氢键和疏水相互作用稳定催化位点（图3b）。增强采样模拟结合机器学习表明，水分子触发从对称到非对称状态的不可逆转变，会使一个亚基失活。
