别構調控在酶催化、信号傳導等多種生物學過程中發揮着重要作用。與傳統的作用于生物功能位點的正構藥物相比，别構藥物由于具有更高的特異性、更少的副作用以及能有效克服已有的耐藥性突變等獨特優勢而受到了廣泛關注。但是别構分子與靶标蛋白之間更高的結合親和力常常并不對應着更好的活性，因此别構分子的優化面臨着很大的挑戰。在别構位點中，各殘基對别構效應的貢獻有所不同，其中的關鍵殘基決定了别構信号的傳導方向和強度，而其它殘基則主要起到輔助結合作用。找出别構位點中主要負責别構信号傳導的殘基（關鍵别構殘基）對于理解别構調控機制、開展功能蛋白質與藥物設計具有重要意義。目前還沒有能夠預測關鍵别構殘基的有效方法。

beat365官方网站/前沿交叉學科研究院定量生物學中心來魯華課題組、beat365前沿交叉學科研究院定量生物學中心/數學科學學院鄧明華課題組和安徽農業大學理學院祝小雷課題組合作應用進化耦合模型對殘基之間的共進化進行分析，發現蛋白質的正構位點和别構位點之間存在進化耦合，蛋白質序列上的弱共進化耦合項包含蛋白質功能信息。在此基礎上發展了首個預測關鍵别構殘基的計算方法KeyAlloSite，為别構藥物的設計和優化、功能蛋白質設計等研究提供了有用的工具。相關研究近日發表在eLife上（eLife 12 (2023), https://elifesciences.org/articles/81850）。

       在進化過程中，蛋白質中殘基之間的功能耦合會驅動它們的共進化，而共進化的模式可以從多序列比對中獲得。由于别構位點能夠影響正構位點的功能，對于别構蛋白質數據集中的每個蛋白，作者首先利用進化耦合模型分析了正構口袋和别構口袋以及其它口袋之間的共進化耦合強度，并将共進化耦合強度歸一化成Z-score。然後根據Z-score對别構口袋和其它口袋進行排序。研究發現92%的已知别構位點對應的Z-score都大于0.5，已知别構位點位于前3名的概率是96%，表明正構和别構口袋之間的共進化耦合強度強于正構和其它非功能口袋之間的進化耦合強度。

       進一步通過兩兩比較别構口袋中的殘基對應的進化耦合值之間的差異，推出别構口袋中的每個殘基對應的顯著性差異數，将殘基對應的顯著性差異數歸一化為Z-score進行關鍵别構殘基預測（圖1）。KeyAlloSite預測的關鍵别構殘基與多個蛋白質體系中的實驗結果相一緻。例如，在酪氨酸蛋白激酶ABL1（BCR-ABL1）中，KeyAlloSite預測的關鍵别構殘基L359在别構信号傳導中起着關鍵作用。當别構分子hit 4和L359之間沒有相互作用時，hit 4盡管結合較強但是沒有活性。别構分子hit 5由于和L359之間存在有利的疏水相互作用，所以盡管和hit 4相比結合親和力更弱，但卻具有酶抑制活性（圖2）。

　　圖1. 确定關鍵别構殘基的步驟。

　　圖2. KeyAlloSite在BCR-ABL1中預測的關鍵别構殘基。

KeyAlloSite還可以預測酶中遠離酶的底物結合位點但是對酶的催化活性有很大影響的關鍵别構殘基。例如，在南極假絲酵母脂肪酶B（Candida antarctica lipase B）中，KeyAlloSite預測的關鍵别構殘基A225和V37對酶的活性非常重要，将A225突變成M能夠将酶的催化效率提升11倍，将V37突變成I能夠将酶的催化效率提升3倍。

beat365前沿交叉學科研究院定量生物學中心博士後謝娟為該論文的第一作者，beat365官方网站/前沿交叉學科研究院定量生物學中心來魯華教授為該論文的通訊作者，beat365前沿交叉學科研究院定量生物學中心/數學科學學院鄧明華教授和安徽農業大學理學院祝小雷副教授為該研究提供了關鍵指導和幫助，beat365官方网站張偉林博士後（已出站）參與了該研究工作。該研究得到了國家自然科學基金重點項目、中國醫學科學院創新項目、北京分子科學國家研究中心和beat365-清華大學生命科學聯合中心的資助。

來魯華課題組在蛋白質别構調控領域開展了系統研究，發展了系統性的别構藥物設計方法并在多個體系中獲得了别構活性化合物。他們的近期工作進一步揭示了蛋白質活性位點與别構位點在不同運動模式上的相關性，提高了基于蛋白質表面口袋及運動相關性分析的别構位點預測方法精度（J Chem Inf Mod 2022, 62, 187）。相關方法CorrSite2.0已整合進課題組發展的綜合性蛋白質口袋分析在線計算服務器CavityPlus中（http://www.pkumdl.cn/cavityplus，Nucleic Acids Res, 2018, 46, W374），為蛋白質口袋分析、别構藥物設計、功能預測等提供了計算工具。與化學學院劉志榮課題組合作揭示了别構調控與配體結合口袋受力分布的關系，第一次實現了蛋白質功能别構調控方向的預測，所發展的AlloType為蛋白質别構調控方向預測提供計算工具（J Phys Chem Lett 2021, 12, 5404）；定量分析了動力學别構調控的貢獻，揭示了熵驅動的動力學别構的本質（J Chem Inf Mod 2022, 62, 2538）。