近日，上海交通大学生命科学技术学院陈海峰教授课题组在《J. Chem. Inf. Model.》期刊在线发表名为Phosphorylation Modification Force Field FB18CMAP Improving Conformation Sampling of Phosphoprotein的研究成果，该研究为磷酸化蛋白的功能研究提供了一套精准的分子力场参数（图1所示）。上海交通大学生命科学技术学院本科生宋歌为第一作者，生命科学技术学院陈海峰教授为通讯作者，上海交通大学生命科学技术学院生物信息学与生物统计学系为该文章第一通讯单位。
磷酸化修饰在信号传导、基因表达、细胞分裂等生物学调控过程中发挥重要作用。基于分子力场的分子动力学模拟是研究磷酸化修饰蛋白结构功能关系的一种重要手段。分子动力学模拟的准确性取决于分子力场的精度，而目前针对磷酸化修饰氨基酸的分子力场均在模拟测试中显著表现出与实验观察的不一致性。
根据先前文献，Amber FB18力场在磷酸化二肽的J耦合等方面极大地提升了对磷酸化氨基酸固有性质的模拟效果。然而陈海峰课题组研究发现，FB18力场极易使得磷酸化位点所在的蛋白螺旋区域错误解旋，且其对应的磷酸化二肽主链φ/ψ二面角分布出现与PDB数据库分布不吻合的异常势阱（图2所示）。
图2. FB18力场模拟磷酸化二肽的φ/ψ二面角分布及PDB数据库中磷酸化氨基酸的φ/ψ二面角分布
陈海峰课题组分析认为，磷酸化二肽分子内氢键在极性溶剂中被大幅削弱是造成FB18力场对主链二面角建模错误的内在原因，并通过拟合隐式溶剂模型下的量子力学φ/ψ二面角势能面，对3种磷酸化氨基酸的不同质子化状态分别优化了相应参数，将整套参数命名为FB18CMAP。图3中以磷酸化丝氨酸的去质子化态（SEP）为例展示了FB18CMAP对量子力学能量的拟合效果。
图3. SEP溶液相φ/ψ二面角势能面
后续测试结果表明，FB18CMAP提升了对磷酸化二肽J耦合值及分子内氢键倾向性的模拟精度（相关报道中最佳力场），并且有效地解决了原FB18力场使螺旋区错误解旋及二肽主链φ/ψ二面角分布与数据库明显不吻合的问题（如图4所示）。
图4. FB18和FB18CMAP在磷酸化二肽及蛋白折叠片段上的模拟效果对比
此外，对于多个磷酸化结构蛋白及无规蛋白的模拟测试，结果表明FB18CMAP显著改进了现有分子力场的不足，能够精准重现磷酸化蛋白质的物理化学性质，为揭示磷酸化修饰调控生物学过程的分子机制及相关疾病研究提供重要手段。
该研究获得上海交通大学超算中心、国家自然科学基金面上项目（32171242和21977068）、国家重点研发计划（2020YFA0907700）以及中央高校基本科研业务费专项资金（YG2023LC03）资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.jcim.3c00112
