Coarse-grained molecular dynamics simulation을 이용한 단백질 구조의 움직임 예측 및 allosteric regulator discovery

제목	Coarse-grained molecular dynamics simulation을 이용한 단백질 구조의 움직임 예측 및 allosteric regulator discovery
추천 연구 논문	Probing the allosteric inhibition mechanism of a spike protein using molecular dynamics simulations and active compound identifications
선정 이유	생체 리듬은 시간에 따라 변화하고, 이를 제어하는 요소 중 CLOCK, BMAL1, PER, CRY 등과 같은 circadian clock core protein들의 구조와 상호작용에 관한 연구를 하는 것은 매우 중요하다. 해당 논문에서는 coarse-grained molecular dynamics(CGMD) simulation이라는 기술을 사용하여, target 단백질 구조의 움직임을 예측하여 가정을 세우고 이를 실험적으로 증명하였다. 이러한 기술의 이용 및 전략은 생체 리듬 관련 단백질 연구에 많은 도움이 될 것이라 생각되어 선정하였다.
주요 내용	해당 연구팀은 SARS-Cov-2의 Spike protein(S protein)을 통한 host cell invading에 관한 연구를 하였다. 이 바이러스는 host cell의 angiotensin-converting enzyme 2(ACE2)에 receptor binding domain(RBD)을 binding하여 침투한다. 그래서 일반적으로 이를 저해하기 위한 연구들은 RBD에 경쟁적으로 binding하는 antibody를 디자인하는 것에 초점을 둔다. 하지만 이 연구팀은 ACE2의 RBD에 대한 recognition이 RBD의 “down-to-up” conformational transition과 관련있다는 것을 알고, RBD의 “down” conformation을 lock하는 antibody나 small molecule을 디자인하는 것으로 연구 방향을 설정하였다. 연구팀은 만약 RBD가 스스로 움직이는 것이라면 RBD를 target할 것이고, 이와 달리 global cooperative하게 움직인다면 allosteric design을 하기로 하였다. 그래서 다른 실험 결과들을 조사해보니, RBD가 아닌 SD1-SD2 junction에 위치한 614번 아미노산을 D614G mutation을 하였더니, RBD의 “up” conformation의 probability가 증가하는 결과가 있는 것을 확인하였다. 이렇듯 몇 가지 cooperative motion의 증거들이 실험 결과로 존재하는 것을 확인하였고, 이 연구팀은 RBD의 움직임을 분석하기 위해, molecular dynamics(MD) simulation을 하려고 하였으나, all-atomistic하게 MD를 하는 것은 상당한 양의 컴퓨터 계산이 들어갈 것이므로, coarse-grained molecular dynamics(CGMD) simulation을 진행하기로 하였다. 먼저 연구팀은 truncated S protein의 움직임을 CGMD로 분석하였다. 이를 통해, RBD와 SD1의 거리가 가까워지는 것과 동시에 SD1과 SD2는 멀어지는 것을 확인하였다. 다음으로, S protein trimer의 움직임을 분석하였다. 이를 통해, RBD와 chain A의 SD2는 intrachain correlation, chain A와 chain B는 interchain correlation이라는 것을 확인하였다. 또한 RBD와 SD2는 S protein이 monomer일 때보다 trimer일 때 더 강한 correlation을 가진다는 것을 확인하였다. 이와 같은 결과들을 토대로 해당 연구팀은 S protein의 RBD가 cooperative motion을 한다는 것을 확인하였고, S protein의 conformational transition을 inhibition하는 allosteric regulator를 CGMD를 통해 제안하였다.
시사점	해당 연구팀은 가설을 세우고 그에 관해 연구를 진행하여 이를 증명하였다. 또한, 그 과정에서 특정 아미노산을 mutation하고 coarse-grained molecular dynamics(CGMD) simulation을 이용하여 S protein의 conformational changes에 관한 연구를 하였다. 이 연구팀의 해당 전략을 응용하여, 시간에 따라 변화하는 리듬을 제어하는 것에 크게 관여하는 circadian clock core protein들을 연구하는 것에 있어 큰 도움이 될 것이라 생각된다. 예를 들어, core proteins인 CLOCK, BMAL1, PER, CRY 등과 같은 단백질들의 구조와 상호작용을 분석하여 시간에 따른 변화 및 복잡한 네트워크의 동작 메커니즘을 이해하는 것에 있어 , CGMD를 활용하면 이러한 복잡한 단백질들을 다루기 쉽게 모델링하고 시뮬레이션 할 수 있다고 생각된다.