一種可用于研究藥物鋰對中樞蛋白GSK-3β相互作用網絡影響的新方法，同時計算了GSK-3β在鋰離子或鈉離子存在下與其分子伴侶的親和力。
背景介紹
自20世紀80年代蛋白相互作用(PPIs)界面結構被揭示以來，PPIs就一直受到科學家的關注。PPIs形成一個相互作用的網絡，其中蛋白形成節點，PPIs形成邊。這種蛋白相互作用網絡(PIN)可以調節細胞對胞內外擾動的響應，并維持生命體系的穩定。然而突變引起的結構變化或蛋白水平的改變，可能會擾亂PIN從而導致各種疾病的發展。迄今為止，小分子已被證明可以靶向特定的蛋白-蛋白界面和特定的蛋白質結合貼片 (PBP)，并且已經表明靶向單個 PPI 可以影響細胞信號傳導并可以傳播 PIN。
在PIN中，樞紐蛋白有大量的相互作用伴侶。這些蛋白質可能含有大量的PBPs。每個蛋白內部都存在一個殘基間相互作用網絡，即蛋白質接觸網絡(protein contact network, PCN)。一個小分子與一個蛋白質的相互作用，可能會影響整個PCN，并影響該蛋白質的多個PBP。
GSK-3(糖原合成酶激酶-3)蛋白是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶，由不同的激酶調節，影響100多種底物，并參與許多細胞信號通路；此外，GSK-3β亞型被認為是PIN中的一個樞紐。
鋰作為抗驚厥和抗躁狂藥物的歷史，可以追溯到19世紀70年代。鋰在20世紀70年代早期被FDA批準用于治療雙相情感障礙(躁狂抑郁癥)。這種離子直接或間接地抑制GSK-3的活性。鋰可以增加GSK-3β的抑制性磷酸化，它還可能通過與鎂離子競爭來直接抑制GSK-3β的催化活性。
主要內容
本文中，來自伊朗高級基礎科學研究所的Maryam Rouhani等人利用一種新的方法，研究了鋰藥對GSK-3β作為樞紐蛋白相互作用網絡的影響，并計算了GSK-3β在鋰或鈉離子存在下與其分子伴侶的親和力。為此，研究者利用自適應回火分子動力學模擬，在鋰離子或鈉離子存在的情況下，得到了GSK-3β蛋白結構。研究者確定了GSK-3β對其分子伴侶的PBP，最后利用基于單體的方法，計算了各結合貼片對相關分子伴侶的親和力。此外，通過比較在LiCl和NaCl存在的MD模擬中GSK-3β的結構動力學，研究者提出了鋰抑制GSK-3β的新機制。相關的研究成果以“Effect of Lithium Drug on Binding Affinities of Glycogen Synthase Kinase-3β to Its Network Partners：A New Computational Approach”為題發布在國際著名期刊Journal of Chemical Information and Modeling上。
自適應回火分子動力學(AT-MD)模擬
研究者利用20 ns常規MD模擬對GSK-3β結構空間進行了采樣，觀察到結構在?1.6×105 ~?1.4×105 kcal/mol勢阱中波動。為豐富GSK-3β的結構集合，研究者建立了多個不同的起始結構和不同的模擬時間片段的AT-MD模擬(圖1)。同時，研究者通過結合不同的AT-MD模擬片段，在LiCl或NaCl存在下建立了GSK-3β結構的集合。?
圖 1. 計劃生成豐富和不同的結構組合。圖片來源于JCIM
通過在二維密度圖上繪制GSK-3β在鋰離子和鈉離子存在下蛋白質旋轉半徑和%疏水可及表面積(ASA)變化的勢能，研究者發現鋰離子引起了結構整體穩定性的巨大變化(圖2)。在鋰的存在下，有一個穩定的結構集合(圖2下圖中的深藍色)，與開始的結構相比有點膨脹(Rg?= 23 ?)。穩定體系的山谷(圖2下圖中的藍色)周圍，環繞著明顯的不穩定結構峰(圖2下圖中的黃色)，具有較高的可及疏水表面。這種清晰的整體在鈉的存在下顯得很模糊。下圖所示的二維密度圖顯示了Li+對蛋白質穩定性的影響。
圖 2. 三維密度與穩定狀態特性。圖片來源于JCIM
基本動力學分析(EDA)與離子分布
為了捕捉鋰離子對GSK-3β可能的運動影響，研究者向EDA提供了用AT -MD生成的結構集合；EDA結果顯示，在鈉離子存在下，GSK-3β在C端有較高的運動水平(圖3)。從方形波動圖中可以看出，蛋白質與鋰離子的相互作用阻礙了運動。GSK-3β動態變化的結果之一是活性位點開放大小的變化。
圖 3. 三維(3D)密度代表穩定狀態特性。圖片來源于JCIM
對于活性部位的代表性殘基，研究者測量了常規MD模擬、AT-MD模擬和EDA生成軌跡中三對殘基之間的距離變化(圖4)。結果表明在大多數情況下，鋰通過推動GSK-3β的兩個域相互靠近來關閉活性位點。
圖 4. GSK-3β活性位點開放的動力學結果。圖片來源于JCIM
在AT-MD模擬中，GSK-3β三維結構周圍的離子分布是不同的。通過計算GSK-3β結構周圍鋰離子、鈉離子和氯離子的平均密度，研究者發現當對應的陽離子是鈉離子時，帶負電荷的離子在GSK-3β活性位點溝槽中的密度更高(圖5)。在鋰存在的情況下，它可能扎根于GSK-3β的封閉活性位點。?
圖 5. AT-MD系統中GSK-3β結構周圍離子的位置密度計算，并將其呈現為等面圖。圖片來源于JCIM
相比之下，在GSK-3β的開口周圍觀察到較高的鋰密度。通過在AT-MD模擬中平均GSK-3β蛋白在LiCl或NaCl存在時的靜電勢，研究者觀察到，鋰存在的情況下，一半的GSK-3β活性位點周圍有擴展的正靜電勢表面(EPS)(圖6)。而在鈉離子存在下，GSK-3β的C端具有明顯的負靜電勢。所觀察到的陽性EPS，可能會引導磷酸化底物進入活性位點。
圖 6. GSK-3β的靜電勢。圖片來源于JCIM
鋰離子對GSK-3β及其伙伴親和性的影響
通過MD模擬，研究者比較了兩種離子對PBPs的親和力，并計算了常規MD、自適應回火MD (AT-MD)和基本動力學分析(EDA)模擬的z-score值。在片段1、片段2、片段3、片段4、片段4a、片段4b、片段4c和片段5中進行了AT-MD仿真(圖1)。表1總結了在有Li+或Na+的情況下，沿軌跡有更高、相等和更低親和力的GSK-3β結合貼片的百分比。?
表 1. 在有鋰或鈉的情況下，高、相等或低親和力PBPs的百分比。MD從常規MD開始，在自適應回火(AT-MD)的連續片段中進行，并由基本動力學分析(EDA)完成。表格來源于JCIM
集合1(包含全部聚合的AT-MD軌跡)的雙樣本t檢驗結果表明，當周圍環境中鈉離子被鋰離子取代時，在209個GSK-3β結合貼片中，163個貼片(78%)的親和力增加，36個貼片(17.2%)的親和力降低，10個貼片(4.8%)對其伴侶的親和力沒有改變。從GSK-3β/軸抑制蛋白1 (Axin-1)、GSK-3β/原癌基因FRAT1 (FRAT-1)和GSK-3β同型二聚體復合物的PDB結構中分離得到的3個結合貼片，在鋰存在時的親和力高于鈉存在時的親和力。
PANTHER數據庫用于定義GSK-3β環境中鋰離子存在時對通路的影響。在Interactome INSIDER預測的GSK-3β的209個伴侶分子中，189個被PANTHER(通過進化關系分析蛋白質)數據庫識別。這些蛋白質參與了75種不同的途徑。在預測的GSK-3β伴侶分子中，19個蛋白參與Wnt信號通路，17個蛋白參與血管生成(圖7)。在Wnt和血管生成途徑中，74%和65%的這些蛋白在鋰存在時，比在鈉存在時更接近GSK-3β。促性腺激素釋放激素受體通路(GRHR)和膽囊收縮素受體信號通路圖(CCKR)，各包含15個GSK-3β伴侶，其中67%和73%在LiCl存在時，也顯示出比NaCl存在時更高的親和力(圖7)。
圖 7. GSK-3β蛋白結合貼片(PBPs)的數量與參與多種途徑的伴侶相互作用。圖片來源于JCIM
結論總結
本文研究了LiCl作為藥物，對GSK-3β蛋白在PIN中作為樞紐的各種蛋白結合貼片親和性的影響。結果表明，一個小的離子，可以同時影響大量的PBPs，可增加或減少該蛋白與不同伴侶的結合親和力。鋰能改變GSK-3β的結構性質。它誘導酶活性部位的關閉。目前的研究提出了鋰離子如何影響GSK-3β對其蛋白底物的作用以及鋰離子如何影響GSK-3β PIN的新機制。本文首次提供了一種方法，即僅利用靶蛋白的結構來研究藥物對其靶蛋白相互作用網絡的影響，而不需要蛋白質復合物中其相互作用伴侶的結構。
參考文獻
Rouhani, Maryam, and Hamid Hadi-Alijanvand. “Effect of Lithium Drug on Binding Affinities of Glycogen Synthase Kinase-3 β to Its Network Partners: A New Computational Approach.”?J. Chem. Inf. Model.?2021, 61, 10, 5280–5292.?https://doi.org/10.1021/acs.jcim.1c00952