通过对接（Docking）、动力学（Dynamics）、密度泛函理论（DFT）和分子动力学结合静电场（MMGBSA）分析，探究姜黄素（Curcumin）对大肠杆菌（E. coli）1型菌毛（FimH、FimG、FimF、FimA、FimD）的别构调控机制
编辑推荐：
姜黄素通过多靶点变构抑制影响E. coli菌毛系统结构动力学，抑制菌毛装配和粘附，为开发非杀菌抗毒药物提供新思路。
阿卡什·贾亚拉曼（Akash Jayaraman）| 拉梅什·文卡塔查拉帕蒂（Ramesh Venkatachalapathy）| 克鲁蒂卡·普拉卡什（Kruthika Prakash）| 卡丹萨米·纳加拉詹·阿鲁尔·乔蒂（Kandasamy Nagarajan Arul Jothi）
印度泰米尔纳德邦金奈卡坦库拉图尔（Kattankulathur）SRM科学技术学院（SRM Institute of Science and Technology）药学实践系（Department of Pharmacy Practice），邮编603203
摘要
本研究探讨了姜黄素（Curcumin）作为尿路致病性大肠杆菌（uropathogenic Escherichia coli）1型菌毛装置（type 1 fimbrial apparatus）的变构调节剂的可能性。这种菌毛装置是细菌的重要毒力机制，负责抵抗剪切力的粘附、菌毛形成以及由FimH、FimG、FimF、FimA和FimD介导的外膜分泌过程。研究采用了广泛的计算机模拟方法，包括分子对接（molecular docking）、密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）、100纳秒分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟、MM-GBSA结合自由能计算以及后续动力学分析（如RMSD、RMSF、二级结构分析、主成分分析PCA、FEL和DCCM）。分子对接结果显示，姜黄素通过持续的氢键作用、π–π堆积和π–阳离子相互作用与五种菌毛蛋白的界面和非催化腔结合，其中对FimF和FimH的亲和力最强。密度泛函理论分析表明姜黄素具有中等反应性、较高的亲电性和电子柔软性，这支持了其多种非共价相互作用的存在。分子动力学结果证实了稳定的蛋白质-配体复合物的形成，表现为骨架RMSD的收敛、关键区域的残基灵活性降低以及β-折叠结构的保持。后续动力学分析揭示了受限的构象空间、稳定的低能区域以及减弱的长程相关性，这些现象共同表明菌毛的捕获-结合行为（catch-bond behavior）和通道门控（channel gating）受到抑制。MM-GBSA结合自由能（?74至?75 kcal/mol）进一步证明了这些相互作用的能量稳定性及可逆性。研究表明，姜黄素作为一种多靶点变构抑制剂，能够影响菌毛组装、粘附和生物膜形成的关键结构和动态过程，从而为开发非杀菌性的抗毒力药物提供了潜在候选物。
引言
大肠杆菌（Escherichia coli）是一种重要的机会性病原体，可引发多种疾病，包括尿路感染（UTIs）、胃肠道疾病和与医疗器械相关的生物膜感染。尿路致病性大肠杆菌（UPEC）约占社区获得性尿路感染的80–90%，并且在插管患者和免疫功能低下者中尤为常见[1]、[2]。大肠杆菌的致病性特征在于其能够粘附于宿主组织和非生物表面，这对于其定植、生物膜形成、免疫逃逸以及在流体剪切应力或抗生素作用等不利环境中的存活至关重要[3]。在大肠杆菌所表达的多种粘附机制中，1型菌毛（type 1 fimbriae）是最具保守性和功能重要性的毒力因子，尤其是在尿路致病性大肠杆菌和形成生物膜的菌株中[4]。1型菌毛通过“伴侣蛋白-引导蛋白”（chaperone–usher）途径生成，是一个复杂的多功能机械系统，而不仅仅是简单的粘附结构[5]。该菌毛装置由五个关键蛋白组成：远端的甘露糖特异性粘附蛋白FimH、构成柔性菌毛尖端的适配蛋白FimG和FimF、聚合形成螺旋轴的主杆亚基FimA，以及促进菌毛有序组装和分泌的外膜引导蛋白FimD[6]。每个组分都发挥着独特的作用，任何一个亚基的损伤都会导致菌毛组装受阻和粘附能力下降，说明该系统容易受到多靶点干扰[7]。FimH作为1型菌毛的主要粘附因子，具有独特的捕获-结合机制，使大肠杆菌能够在尿流等剪切力作用下增强粘附能力[8]。FimH包含一个N端凝集素结构域（负责结合甘露糖）和一个C端菌毛结构域（通过FimG将粘附蛋白固定在菌毛轴上）。机械应力会触发这些结构域的变构解离，使FimH从低亲和状态转变为高亲和状态，显著延长粘附持续时间[9]。这种力激活的变构作用使细菌能够抵抗机械去除，并促进生物膜的形成和维持，因此FimH成为公认的抗粘附治疗靶点。此外，适配蛋白FimG和FimF对于传递机械力和维持粘附蛋白的空间定位至关重要，而FimA则调控菌毛杆的拉伸强度、弹性和机械信号传递[10]、[11]。外膜引导蛋白FimD对菌毛的生物发生至关重要，既是组装平台也是所有菌毛亚基的分泌通道[12]。1型菌毛系统是一个高度依赖各蛋白间相互依赖性的综合毒力装置，其功能依赖于精确调控的构象动态和亚基间的变构通讯。抗生素耐药性的迅速增加显著降低了传统杀菌治疗方法的效果，因此人们重新关注那些不会直接损害细菌生存能力的抗毒力策略[13]。抗毒力药物可以减少耐药性的选择压力，维持共生微生物群，并特别针对粘附、生物膜形成和宿主定植等感染相关过程[14]。通过变构而非空间位阻抑制机制特异性针对1型菌毛，为减轻大肠杆菌的致病性提供了可行的策略，同时降低耐药性的出现风险[15]。
变构调节已成为复杂动态蛋白质系统药物开发中的重要方法，它允许通过结合到主要活性位点或配体结合区域以外的位置来改变蛋白质功能[16]。变构配体通常具有更高的选择性、更低的耐药性突变风险，并能调节蛋白质动态而不仅仅是完全抑制其功能。这种方法特别适用于像FimH这样的细菌粘附蛋白，因为它们的功能依赖于长程构象耦合和力诱导的结构变化[17]。姜黄素是一种从姜黄（Curcuma longa）中提取的天然多酚，因其广泛的抗菌、抗生物膜和抗群体感应（anti-quorum-sensing）特性而受到广泛关注[18]。姜黄素并不直接杀菌，而是通过改变细菌的调控途径、膜完整性和毒力基因表达来发挥作用，从而降低许多革兰氏阴性病原体（包括大肠杆菌）的粘附性、运动能力和生物膜形成[19]。姜黄素表现出多靶点作用机制，且耐药性出现的可能性较低，使其成为抗毒力药物开发的理想候选物[20]。尽管有大量实验数据支持姜黄素的抗粘附作用，但其与1型菌毛多蛋白装置的分子和结构相互作用机制仍需进一步阐明。目前尚未充分研究姜黄素如何同时与多种菌毛组分相互作用并在整个菌毛系统中引发协调的变构效应。
本研究采用了一种综合计算框架，结合了分子对接、密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟、MM-GBSA结合自由能计算和后续动力学分析，以研究姜黄素与大肠杆菌1型菌毛系统的五个主要组分（FimH、FimG、FimF、FimA和FimD）的相互作用。研究旨在通过分析结合稳定性、构象动态、残基级灵活性及持续的相互作用网络，确定姜黄素是否作为多靶点变构抑制剂，从而破坏菌毛组装、力学特性和粘附过程，而不会导致结构崩溃。这些发现为基于天然产物的抗毒力技术提供了机制见解，并支持针对大肠杆菌定植和生物膜相关感染的非杀菌疗法的系统开发。
部分内容摘要
蛋白质结构制备
蛋白质数据库（Protein Data Bank, PDB）提供了大肠杆菌1型菌毛蛋白的三维晶体结构。研究选择了主要菌毛杆亚基FimA（5NKT）、外膜引导蛋白FimD（4J3O）、菌毛尖端适配蛋白FimF（2JMR）和FimG（3JWN）以及甘露糖特异性粘附蛋白FimH（PDB ID: 1TR7）作为目标。使用Schr?dinger软件包的蛋白质制备向导（Protein Preparation Wizard）来准备所有蛋白质结构。
姜黄素的理化性质和分子对接分析
使用SwissADME软件计算并分析了姜黄素的理化性质（见表1）。姜黄素的二维结构如图1所示。大肠杆菌1型菌毛装置FimH、FimG、FimF、FimA和FimD的结构组成在图2中展示。分子对接研究表明，姜黄素对大肠杆菌1型菌毛系统的所有五个结构和功能组分均具有良好的结合亲和力，表明其具有多靶点作用讨论
位于1型菌毛远端的甘露糖特异性粘附蛋白FimH对于大肠杆菌粘附于惰性表面和宿主尿路上皮细胞上的甘露糖化糖蛋白受体至关重要[29]。根据结构和生物物理学特性，FimH具有双结构域架构，包括一个N端凝集素结构域（负责结合）和一个C端菌毛结构域（通过FimG将FimH连接到菌毛轴上），从而发挥捕获-结合粘附蛋白的作用
结论
这项计算分析表明，姜黄素与大肠杆菌1型菌毛系统的所有五个核心组分形成了稳定的、能量上有利的相互作用，选择性地增强了关键功能区域的功能，而不会导致结构崩溃。姜黄素改变了动态能量景观，减弱了长程变构通讯，从而抑制了捕获-结合的激活、菌毛的灵活性、杆状结构的力学特性以及FimD介导的菌毛生物发生过程
CRediT作者贡献声明
克鲁蒂卡·普拉卡什（Kruthika Prakash）：正式数据分析、数据整理。阿鲁尔乔蒂·K.N.（Aruljothi K.N）：结果验证、项目管理。阿卡什·贾亚拉曼（Akash Jayaraman）：初稿撰写、软件使用、方法学设计。拉梅什·文卡塔查拉帕蒂（Ramesh Venkatachalapathy）：修订与编辑、数据整理、概念构思
数据可用性
本研究生成和/或分析的数据集可在本文的补充信息文件中找到。如需更多支持模拟和网络分析结果的原始数据，可向通讯作者提出合理请求。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果
