案例文章
Shank3（SH3 and multiple ankyrin repeat domains protein 3）是一种调控突触信号传导的蛋白，与22q13缺失综合征和自闭症谱系障碍（ASD）的发生密切相关。SAPAP（synapse-associated protein 90/postsynaptic density-95-associated protein）是与突触功能相关的蛋白，在神经系统中扮演重要角色。SAPAP通过其扩展的PDZ结合模体（E-PBM）与Shank3的N-PDZ结构域结合，在突触可塑性和神经信号传递中起着关键作用。生物化学和结构实验为Shank3和SAPAP结合提供了基础知识基础。然而，Shank3和SAPAP（野生型和突变型）之间相互作用的分子机制尚未完全阐明。
本文采用了分子动力学（MD）模拟和MM/GBSA（Molecular Mechanics/Generalized Born Surface Area）结合自由能计算的方法来研究SAPAP与Shank3之间结合的分子机制，特别是野生型和突变型E-PBM与Shank3 N-PDZ之间的相互作用差异。
在这项研究中，研究人员构建了SAPAP的野生型E-PBM和两种突变型E-PBM（M4P和M5P）与Shank3 N-PDZ的复合物模型。M4P是将E-PBM的C端部分（974QTRL977）突变为四个脯氨酸，而M5P是将N端部分（966IEIYI970）突变为五个脯氨酸。通过MD模拟来研究Shank3与野生型SAPAP E-PBM以及两种突变肽之间结合的分子机制。结合动态互相关图（DCCM）分析、主成分分析（PCA）和自由能景观（FEL）方法探讨了突变引起的构象变化等动力学特性。使用分子力学/广义玻恩表面积（MM/GBSA）方法来评估结合自由能。该研究揭示了Shank3与SAPAP特异性结合的分子机制，并为设计肽抑制剂干扰它们之间的相互作用提供了线索。
Shank3 N-PDZ和SAPAP E-PBM的结构来源于PDB数据库 (PDB ID: 5IZU)。为了与实验数据进行比较，将QTRL（974-977）和IEIWI（966-970）的序列分别替换为脯氨酸，构建了两个突变体系。随后对构建的三个体系分别进行100 ns的分子动力学模拟。
RMSD用于评估模拟过程中蛋白质结构的稳定性。在所有系统中，RMSD值在20 ns模拟后收敛，表明系统达到了稳定状态。然而，在突变体系中（特别是M5P系统），RMSD值持续增加，这意味着突变可能导致结构扰动和构象重排，影响了复合物的稳定性，降低了SAPAP与Shank3的相互作用强度。
RMSF反映了原子位移的幅度，即蛋白质的柔韧性。在野生型系统中，除了几个特定区域外，canonical PDZ domain（564-665）的RMSF值较低，表明其结构相对稳定。相比之下，M4P系统中E-PBM的C端残基（973-977）和M5P系统中E-PBM的N端残基（963-968）及βN发夹结构域（542-563）的RMSF值显著增加，表明这些区域的柔韧性增加，可能导致结合亲和力的降低。
DCCM分析用于研究Shank3和SAPAP之间的相关运动。结果显示，在野生型系统中，E-PBM与canonical PDZ domain和βN发夹结构域之间存在强烈的正相关运动。然而，在M4P系统中，E-PBM与canonical PDZ domain之间的正相关运动减弱，而在M5P系统中，这种正相关运动几乎消失。这表明突变影响了E-PBM与Shank3 N-PDZ之间的相互作用模式。
PCA分析用于提取系统的基本运动模式。结果显示，在野生型系统中，整体结构相对稳定，但βN发夹结构域表现出较大的运动幅度。在M4P和M5P系统中，突变导致E-PBM的相关部分从其原始结合位置偏离，进一步证实了突变对结合的影响。
自由能景观（FEL）分析有助于揭示复合物在不同构象下的稳定性，颜色越深表示能量越低。通过FEL分析，能够识别出野生型和突变型SAPAP与Shank3复合物的稳定构象。研究发现，突变系统的PC1和PC2运动模式比WT系统的范围更大，这表明突变引起了构象重排。
MM/GBSA方法用于计算结合自由能，以评估野生型和突变型E-PBM与Shank3 N-PDZ之间的结合亲和力。结果显示，野生型系统的结合自由能最低，表明其结合亲和力最高。相比之下，M4P和M5P系统的结合自由能增加，表明突变降低了结合亲和力。此外，研究人员还进行了能量分解，以评估每个残基对结合自由能的贡献。结果显示，突变残基的能量贡献显著降低，这与RMSF和PCA分析的结果一致。
从结合模式和氢键占有率可以看出，相较于野生型，M4P突变导致canonical PDZ domain中大部分氢键的丢失，与βN1’的相互作用仍然存在。M5P突变消除了E-PBM与βN1’的相互作用，但与野生型相比，与PDZ结构域的相互作用保持良好。与能量计算结果一致，突变破坏了E-PBM与N-PDZ之间的相互作用，导致其结合能力降低。
本研究通过MD模拟和MM/GBSA结合自由能计算，深入研究了SAPAP野生型和突变型E-PBM与Shank3 N-PDZ之间的相互作用机制。结果表明，突变影响了E-PBM与Shank3 N-PDZ之间的相互作用模式，降低了结合亲和力。这些发现有助于理解SAPAP和Shank3特异性结合的分子机制，并为设计肽抑制剂干扰它们之间的相互作用提供了线索。该研究成果已发表于学术期刊《International journal of molecular sciences》。
Piao L, Chen Z, Li Q, et al. Molecular dynamics simulations of wild type and mutants of SAPAP in complexed with Shank3[J]. International journal of molecular sciences, 2019, 20(1): 224.