晶体结构和冷冻电镜结构为计算机辅助药物设计提供了结构基础。然而，这些实验结构仅能提供静态水平的信息，而配体-蛋白、蛋白-蛋白的识别为动态过程，识别过程会经历很多重要的中间态。未来的药物设计不仅包括实验观察到的配体-受体结合状态，还包括整个配体-蛋白质识别途径中的各个中间态。中间态能够提供更详细的补充结构，能够拓展药物设计的新视角。配体-蛋白、蛋白-蛋白的识别发生在μs、ms甚至更长的时间尺度上，传统的分子动力学（cMD）方法难以在合理的时间内模拟到大规模的构象变化。因此，需要发展加速取样方法，提高模拟效率，在合理的模拟时间内捕捉到更多的动态信息。

近日，南开大学药学院、药物化学生物学国家重点实验室的林建平教授、李冬梅副教授团队在PNAS上发表了题为“The full activation mechanism of the adenosine A₁ receptor revealed by GaMD and Su-GaMD simulations”的研究论文。研究团队开发了一种新的分子动力学方法——Su-GaMD，并揭示了腺苷（Ado）A₁受体（A₁R）的完全活化机制。

研究团队在标准的高斯加速分子动力学（GaMD）模拟中加入禁忌监督算法，开发了一种新的分子动力学方法——Su-GaMD。该方法能够在ns尺度揭示配体-蛋白、蛋白-蛋白的识别过程。模拟结果显示，A₁R的完全活化包括三个阶段：Ado与A₁R的识别、A₁R的预活化、G_i2与A₁R的识别。Ado的识别过程中，经历几个不同的中间态，识别路径中的Glu170^ECL2、Phe171^ECL2、Glu172^ECL2, Asn254^6.55、Thr257^6.58、Lys265^ECL3、Tyr271^7.36和Thr277^7.42等残基在前人的实验研究中均显示出对Ado的结合有重要作用。接着，Ado的结合引起A₁R胞内端构象变化，Arg105^3.50/Arg108^3.53-Glu229^6.30离子锁断开，A₁R达到预活化状态。最后，G_i2在胞内端逐渐靠近A₁R，通过ICLs（特别是ICL2）逐渐与A₁R结合，形成与前人实验结构相一致的Ado-A₁R-G_i2的复合物（Ado RMSD = 2.0 Å，A₁R RMSD = 1.7 Å，Gα_i RMSD = 2.9 Å）。A₁R胞内端G_i2的结合使胞外端Ado结合口袋的体积缩小，增强了Ado与A₁R的结合能力，这也与前人的β₁肾上腺素能受体的实验现象相符合。

该研究在数百ns的模拟中实现了从游离的Ado、apo-A₁R、G_i2到的Ado-A₁R-G_i2复合物的动态全过程，揭示了A₁R 完全活化的机理，这对于理解GPCR的信号转导机制至关重要。揭示的Ado和G_i2与A₁R识别过程中的各个中间态拓展了A₁R药物设计的新视角，为靶向A₁R的药物研发提供了新思路。

南开大学药学院博士研究生李洋、孙霁雪为本论文的共同第一作者，李冬梅副教授和林建平教授为共同通讯作者。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2203702119