分子动力学模拟揭示点突变对 hCFTR NBD1结构域热稳定性的影响

 

囊性纤维化（CF） 作为一种严重的常染色体隐性遗传疾病，全球约有 10 万名患者深受其害。它会累及人体多个器官，如肺部、胰腺等，严重影响患者的生活质量和寿命。CF 的 “罪魁祸首” 是 CFTR 氯离子通道的突变，而其中 NBD1 区域更是突变的 “重灾区”。

在众多 CF 相关突变中，L467P 和 A559T 这两个罕见的 II 类突变备受关注，它们如同隐藏在 CFTR 蛋白中的 “定时炸弹”，分别使 NBD1 结构域的热稳定性降低 19.3°C 和 10.7°C，严重破坏了 CFTR 的正常功能。以往，针对这些罕见突变的研究相对较少，其作用机制也如同迷雾般模糊不清，这极大地阻碍了针对性药物的研发。

 

结果速览

为了揭开这些突变的神秘面纱，研究人员运用了分子动力学（MD）模拟技术。他们以野生型（WT）NBD1 为对照，对 L467P-NBD1、A559T-NBD1，以及具有稳定作用的 6SS-NBD1 和 2PT/M470V-NBD1 进行了长达微秒级别的模拟（图1）。在模拟过程中，研究人员将温度升高到 410K，加速蛋白的变化过程，以便更清晰地观察突变带来的影响。

图1. 野生型 NBD1（WT-NBD1）、L467P-NBD1、A559T-NBD1、6SS-NBD1 和 2PT/M470V-NBD1 构建体在加热过程中以及最终温度为 410K 时，通过分子动力学模拟得到的主链均方根偏差（RMSD）曲线对比

通过对模拟轨迹的细致分析，研究人员发现了许多关键信息。从 RMSF（均方根波动）和 DSSP（蛋白质二级结构）分析结果来看，L467P 和 A559T 突变显著增加了 NBD1 某些区域的波动，同时导致大量 α-螺旋结构丢失，使蛋白结构变得不稳定（图 2）。例如，在 ABCα 亚结构域的 514-523 和 550-562 区域，这两个突变体的 α-螺旋结构大量减少，而这些区域对 CFTR 的正常功能至关重要。

 

图2. L467P-NBD1 和 A559T-NBD1 与 WT-NBD1 的 RMSF 和 DSSP 对比图

Q 分数和接触图分析则表明，这两个突变体的天然接触分数明显降低，意味着它们的蛋白结构发生了较大改变（图3-4）。而且，L467P 突变主要影响 F1-样 ATP 结合核心亚结构域和 ABCα 亚结构域的接触，A559T 突变则主要破坏 ABCα 亚结构域内的接触。

图3. WT-NBD1、L467P-NBD1、A559T-NBD1 的 Q 分数对比

图4. WT-NBD1、L467P-NBD1、A559T-NBD1 的接触图对比

总结

这项研究首次揭示了 L467P 和 A559T 突变影响 NBD1 热稳定性和蛋白功能的详细机制。研究结果不仅与实验测得的热稳定性数据高度吻合，还为开发针对这两种突变的特异性 CF 疗法指明了方向。未来，或许可以根据这些发现，设计出能够稳定 NBD1 结构的药物，从而有效治疗 CF 患者。