淀粉样变病相关蛋白的错误折叠和聚集行为的分子动力学模拟研究

发布时间：2017-04-10 11:15

  本文关键词：淀粉样变病相关蛋白的错误折叠和聚集行为的分子动力学模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：淀粉样变病是由蛋白质的错误折叠和聚集所引起的一类退行性疾病。迄今为止,已知27种蛋白质可以引起脑部或其它淀粉样蛋白异常沉积,导致淀粉样变病的发生。这些蛋白质并不具有序列同源性,但是它们所形成的淀粉样纤维具有共同的生物物理性质和致病机理。淀粉样蛋白沉积与许多神经退行性疾病相关,包括阿尔茨海默症、帕金森病、朊病毒病和亨廷顿病等。同时,也与一些非神经性疾病(如Ⅱ-型糖尿病)或系统型淀粉样变病相关(如老年性系统性淀粉样变)。探究蛋白质发生错误折叠和聚集的机理有助于进一步了解淀粉样变病的致病机理,为相关抑制剂的设计提供一定的理论支持。目前,通过实验手段从原子水平上探究淀粉样蛋白沉积的形成仍存在许多困难和挑战,而分子动力学模拟(molecular dynamics simulation, MD)作为一种补充手段因其可以提供许多实验上难以获得的信息而被广泛应用于蛋白质的错误折叠和聚集机制的研究。鉴于此,本论文通过分子动力学模拟结合多种分析方法对淀粉样变病相关蛋白(朊蛋白和胰岛淀粉样多肽)进行了研究,主要包括以下三方面的工作：第一部分,朊蛋白(Prion)氨基酸突变致家族性朊病毒病发生的分子机制研究。朊病毒病是唯一具有传染性的蛋白构象病。正常的朊蛋白(PrPc)发生错误折叠转变为致病型(PrPSc)是导致朊病毒病发生的关键。许多单点氨基酸突变可引起家族性人类朊病毒疾病,如T188K/R/A、D202N、E211Q和Q217R等。了解单点氨基酸突变对朊蛋白的影响对探索朊蛋白相关疾病的发病机制非常重要。遗憾的是,实验上获得PrPsc的结构非常困难,探索PrPc到PrPsc转变的机理仍是一个很大的挑战。本部分工作中,我们对突变前后的朊蛋白球形结构域的性质进行了考查。a) 位于H2上的T188K/R/A突变。结果表明这三个致病性突变对PrP的整体结构几乎没有影响,但可以引起局部蛋白稳定性或构象的变化。具体来说,尽管这三个突变发生在相同位置,它们对PrP的动态性质具有不同的影响,包括H1的移动、原有的β-sheet的延长以及S2-H2 loop到3 10-helix的转变。因此,三种突变可能具有不同的致病机理。b)位于H3上的D202N、E211Q和Q217R突变。它们对PrP的二级结构影响不大,但对蛋白表面的静电分布影响显著。由此,我们推断静电表面的变化可能会进一步影响聚集过程中分子间的识别和相互作用。此外,突变对PrP球形结构域的柔性和热力学性质也有一定的影响。第二部分,IAPP22-28成核机制及形成原纤维的稳定性探究。胰岛淀粉样多肽(islet amyloid polypeptide, IAPP)在胰岛β-细胞中与胰岛素共同分泌,其异常聚集形成的淀粉样纤维在胰岛组织中的出现与Ⅱ-型糖尿病相关。因此,探究IAPP从可溶性的单体转变为β-sheet状的纤维的过程对设计Ⅱ-型糖尿病的抑制剂具有重要的参考价值。我们利用分子动力学模拟系统地研究了IAPP22-28(?)聚体(四条肽和八条肽)的成核过程及其低聚体模型(二聚体到16聚体)的构象稳定性。计算结果表明无序的IAPP22-28片段可以很快聚集成部分有序的富含β-sheet的低聚体。对于不同的原纤维模型来说,双层模型表现出很高的稳定性,而单层和三层模型的稳定性相对比较差。因此,低聚体的稳定性不仅与多肽数有关,还与其排列方式相关。疏水作用和主链氢键作用是多肽自组装的驱动力,并进一步稳定原纤维构象。我们的结果还表明IAPP22-28在β-sheet片层内倾向于反平行构象。本工作不仅有助于我们进一步理解IAPP成核过程及其结构多态性,对相关抑制剂的设计也有重要的参考价值。第三部分,碳纳米材料对IAPP22-28低聚过程的影响。近些年来,纳米材料已被广泛应用于生命医学领域,其中尤以碳纳米材料最受关注。纳米颗粒很小,几乎能进入生物体内任何区域,因而使得蛋白质的作用复杂化。目前,关于纳米材料是抑制还是加速amyloid的形成,仍存有争议。本工作中,我们对hIAPP22-28低聚体的形成以及碳纳米材料(石墨烯、单壁碳纳米管和C60)对其自组装过程的影响进行了系统的研究。模拟结果显示不同碳纳米颗粒可从不同程度上抑制IAPP22-28的聚集：石墨烯单壁碳纳米管C60。吸附过程的主要主驱动力是疏水作用,并且在不同纳米材料体系中也有所不同,其结果差异可能来源于纳米颗粒的不同表面积和表面曲率。此外,石墨烯和单壁碳纳米管的抑制作用强调了它们对多肽的吸附作用相对于多肽间的相互作用具有竞争优势。探究纳米颗粒对淀粉样多肽聚集过程的影响不仅对设计安全、有效的纳米材料是宝贵的,并且对探索相关疾病的致病机理及抑制剂的设计也很有帮助。总的来说,对PrP突变体的研究有助于理解突变诱导朊蛋白从PrPc到PrPSc的构象转变进而引起家族性朊病毒病发生的分子机制。对IAPP22-28(?)聚过程、低聚体稳定性及碳纳米颗粒对其聚集的影响的考察,有助于探究hIAPP的成核机理及低聚体结构多态性,并为Ⅱ-型糖尿病抑制剂的设计提供宝贵信息。此外,我们的研究工作对其它蛋白质的错误折叠和聚集机理的研究也有一定的借鉴作用,并对相关抑制剂的设计、疾病的预防和治疗提供有价值的信息。
【关键词】：朊蛋白 胰岛淀粉样多肽 错误折叠 聚集 分子动力学模拟
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R597.2
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-36
• 1.1 淀粉样蛋白沉积及淀粉样变病14-18
• 1.1.1 阿尔茨海默症及β-淀粉样蛋白和Tau蛋白14-16
• 1.1.2 朊病毒病及朊蛋白16-18
• 1.1.3 Ⅱ-型糖尿病及胰岛淀粉样多肽18
• 1.2 蛋白的错误折叠和聚集及淀粉样变病的研究进展18-25
• 1.2.1 淀粉样变病相关蛋白发生错误折叠和聚集的普遍机理18-21
• 1.2.2 蛋白质发生错误折叠和聚集的危害21-23
• 1.2.3 阻止蛋白质发生错误折叠和聚集的策略23-25
• 1.3 分子模拟在淀粉样变病相关蛋白的错误折叠及聚集中的应用25-29
• 1.3.1 淀粉样变病相关蛋白的分子模拟研究25-26
• 1.3.2 朊蛋白相关研究26-28
• 1.3.3 胰岛淀粉样多肽相关研究28-29
• 1.4 分子动力学模拟方法概述29-36
• 1.4.1 分子力场29-30
• 1.4.2 分子动力学30-32
• 1.4.3 非键相互作用能的处理及边界条件32-33
• 1.4.4 溶剂效应33
• 1.4.5 调温和调压技术33-34
• 1.4.6 分子动力学模拟的基本流程34
• 1.4.7 分子动力学模拟方法的应用展望34-36
• 第二章 致病性突变T188K/R/A对prion的结构稳定性和错误折叠的影响36-48
• 2.1 背景介绍36
• 2.2 实验方法及步骤36-39
• 2.2.1 初始结构准备36-37
• 2.2.2 分子动力学模拟37-38
• 2.2.3 分析方法38-39
• 2.3 结果讨论39-47
• 2.3.1 野生型和突变型PrP的整体稳定性39
• 2.3.2 局部结构特征39-42
• 2.3.3 二级结构的稳定性42-47
• 2.3.4 突变所引起的共同的和特有的错误折叠特征47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 致病性突变D202N、E211Q和Q217R对prion的结构和热力学稳定性的影响48-58
• 3.1 背景介绍48-49
• 3.2 实验方法及步骤49-50
• 3.2.1 体系搭建和分子动力学模拟49
• 3.2.2 轨迹分析49
• 3.2.3 MM-GBSA计算49-50
• 3.3 结果与讨论50-55
• 3.3.1 结构特征50-53
• 3.3.2 热力学性质53-55
• 3.4 讨论55-57
• 3.4.1 突变对朊蛋白球形结构域性质的影响55-56
• 3.4.2 起始构象和模拟条件的局限性56-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 胰岛淀粉样多肽片段(IAPP_(22-28))低聚体的结构及其稳定性：从二聚体到16聚体58-74
• 4.1 背景介绍58
• 4.2 实验方法及步骤58-59
• 4.3 结果分析59-71
• 4.3.1 IAPP_(22-28)低聚体的结构稳定性59-69
• 4.3.2 无序多肽的动态聚集69-71
• 4.4 讨论71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 第五章 碳纳米颗粒对胰岛淀粉样多肽片段(IAPP_(22-28))聚集的影响的分子动力学模拟研究74-87
• 5.1 背景介绍74-75
• 5.2 实验方法及步骤75-76
• 5.2.1 模型的搭建和分子动力学模拟75-76
• 5.2.2 轨迹分析76
• 5.3 结果与讨论76-85
• 5.3.1 低聚体的动态聚集(无纳米颗粒)76-79
• 5.3.2 有效吸附是IAPP_(22-28)与碳纳米颗粒相互作用的第一阶段79-82
• 5.3.3 纳米颗粒使低聚体的β-sheet含量降低并抑制低聚体的形成82-84
• 5.3.4 表面曲率和表面积大小对纳米颗粒和IAPP_(22-28)相互作用的影响84-85
• 5.4 本章小结85-87
• 第六章 结论与展望87-89
• 6.1 主要结论87
• 6.2 研究展望87-89
• 参考文献89-106
• 在学期间的研究成果106-108
• 作者简介108-109
• 致谢109

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本文编号：296596