朊蛋白错误折叠和聚集机制的分子动力学模拟研究

发布时间：2017-05-03 21:05

  本文关键词：朊蛋白错误折叠和聚集机制的分子动力学模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：朊病,又称为传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy, TSE),是一系列进行性神经退行性疾病的总称,包括人类的库鲁病、家族性失眠症、格斯特曼综合征以及动物中的疯牛病、羊瘙痒症等。这类疾病与朊蛋白(prion, PrP)的错误折叠和聚集有关,但是朊蛋白从自然态(PrPC)到致病型(PrPc)自发转变的机制仍然不明确。深入理解朊蛋白的构象转变机制对阐明朊病的病因非常关键,因此获得prpSc的结构是非常必要的。但是prpSc表现出很强的聚集倾向,不易结晶,常规实验手段很难获得其结构。分子动力学(molecular dynamics, MD)模拟则可以提供详细的结构信息用于研究蛋白质的折叠和与疾病相关的错误折叠。在本论文中,我们应用分子动力学模拟拟研究了朊蛋白及其关键序列的折叠和聚集机制,为进一步阐明朊病的发病机制和合理的药物设计提供了支持。论文的第一章对淀粉样变病、朊蛋白的结构和性质、朊蛋白中的关键序列等进行了概述,同时对分子动力学模拟及其增强采样的算法副本交换分子动力学(replica exchange molecular dynamics, REMD)模拟进行了介绍,并总结了朊蛋白错误折叠和聚集的分子动力学模拟研究以及该研究领域常用的分子模型和算法。在其后的四个章节中,我们从不同的结构层次研究了朊蛋白及其关键序列的错误折叠与聚集。首先,我们研究了朊蛋白中二硫键的断裂对朊蛋白结构和稳定性的影响。在论文的第二章,我们针对朊蛋白的野生型、还原型和丙氨酸突变型分别进行了MD模拟。结果表明,二硫键的断裂引起了H1的移动、β-sheet含量的增加以及疏水性内核的破坏。这些结构变化与低pH值、变性剂和致病性突变所引起的朊蛋白构象变化是一致的,这表明二硫键的断裂能够引起朊蛋白的错误折叠。其次,我们对朊蛋白关键序列PrP106-126的构象空间和聚集行为进行了阐释。PrP106-126表现出与全长朊蛋白相似的性质,在朊蛋白发生结构转变的过程中发挥着重要的作用,同时PrP106-126可溶性低聚体表现出明显的神经毒性。因此,PrP106-126可以作为模型多肽研究朊病的成因。在论文的第三章中,基于REMD模拟,我们首先研究了PrP106-126单体和二聚体的构象转变。PrP106-126的单体表现出明显的结构柔性。其二聚体仍然表现出很大的结构柔性,疏水性相互作用是推动二聚体形成的主要驱动力。为了更进一步地研究PrP106-126的低聚机制,针对PrP106-126三聚体和四聚体的形成过程,我们分别进行了两组长达1μs的常规MD模拟。我们观察到了多种自发形成的低聚体。在模拟过程中,采样到了稳定的低聚体,这些低聚体表现出非常高的β-sheet含量。此外,这些低聚体还表现出了相同的结构元素,在PrP106-126疏水性碳端形成的以残基118-120为转角的β-hairpin结构,该结构有可能稳定了低聚体。这一研究提供了PrP106-126的构象特征,增加了对PrP106-126低聚机制的理解。然后,我们更加深入地研究了PrP106-126及其突变体的结构性质。实验表明,A117V突变增强PrP106-126的毒性同时加快PrP106-126聚集速率,而H111S突变抑制PrP106-126的聚集。理解这两个突变对PrP106-126聚集倾向相反的影响有利于阐明PrP106-126的聚集机制,同时对抑制剂的设计也有一定的指导意义。在论文的第四章中,我们基于REMD模拟研究致病性突变A11 7V和保护性突变H111S对PrP106-126折叠和聚集的影响。在该工作中,针对野生型,A117V和H111S突变型PrP106-126进行了REMD模拟。这三种多肽都表现出结构的无序性,没有获得主流的构象。但是,A117V突变体更倾向于获得β-hairpin结构,而H111S突变体更容易获得螺旋的构象。同时,A117V突变引起了PrP106-126疏水性表面积的增大,而H111 S则降低了PrP106-126的疏水性表面积。这些特点在一定程度上揭示了A117V突变体聚集倾向增强的原因,一方面A117V突变体更容易获得致病性中间态,同时较大的疏水性表面积则易于形成链间疏水性相互作用,推动低聚体的形成。H111 S突变所引起的效应则与A117V相反,这很好地解释了H111S突变体较弱的聚集倾向形成的原因。最后,我们对包含在PrP106-126中的回文序列进行了系统地研究。朊蛋白的回文序列AGAAAAGA(PrP113-120)具有很强的聚集倾向,同时该序列在朊蛋白构象的转变过程中起着重要的作用。与格斯特曼综合征相关的突变A117V也发生在该保守性序列中但A117V突变对该段多肽折叠和聚集的影响还不明确。在论文的第五章中,为了研究A117V突变对PrP113-120折叠和低聚的影响,我们对单体,两条多肽,四条多肽等三个体系进行了共计六组的REMD模拟。单体的模拟表明,野生型和突变型的PrP113-120主要的构象均为无规则卷曲,也获得了部分的螺旋结构。A117V突变增强了PrP113-120的结构多样性。对两条多肽和四条多肽体系的模拟表明,A117V突变增加了体系中β-sheet的含量和低聚体的含量。这种现象可能是链间的氢键和疏水性相互作用的增强引起的。该工作阐明了A117V突变对回文序列折叠和聚集的影响,有利于理解朊蛋白的错误折叠机制和格斯特曼综合征的致病根源。
【关键词】：传染性海绵状脑病 朊蛋白 PrP106-126 回文序列 折叠与聚集 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】：R742.9
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 朊蛋白错误折叠与聚集的分子动力学模拟研究进展13-35
• 1.1 蛋白质的错误折叠和淀粉样沉淀13-15
• 1.2 朊蛋白和朊病15-21
• 1.2.1 朊病研究的历史15-16
• 1.2.2 “Protein Only”假说16-17
• 1.2.3 PrP~C的结构特征17-18
• 1.2.4 PrP~(Sc)的结构18
• 1.2.5 朊蛋白的构象转变模型18-19
• 1.2.6 影响朊蛋白错误折叠和聚集的关键序列19-21
• 1.3 分子模拟方法在朊蛋白研究中的应用21-26
• 1.3.1 关键氨基酸突变对朊蛋白球状域的影响21-23
• 1.3.2 朊蛋白球状域的聚集机制研究23-24
• 1.3.3 朊蛋白关键序列的分子动力学模拟研究24
• 1.3.4 多肽折叠和聚集研究中常用的模拟方法24-26
• 1.4 分子动力学模拟26-33
• 1.4.1 分子动力学模拟的发展历史26-27
• 1.4.2 力场27-28
• 1.4.3 溶剂模型28-29
• 1.4.4 分子动力学29-30
• 1.4.5 分子动力学模拟的一般步骤30-31
• 1.4.6 副本交换动力学模拟31-33
• 1.5 本论文的选题思路和研究内容33-35
• 第二章 基于分子动力学模拟研究Cys179-Cys214二硫键对朊蛋白结构和稳定性的影响35-47
• 2.1 研究背景35
• 2.2 研究体系和方法35-38
• 2.3 结果与讨论38-45
• 2.3.1 朊蛋白的野生型、还原型和丙氨酸突变型的整体稳定性38-40
• 2.3.2 二硫键的断裂对朊蛋白二级结构的影响40-42
• 2.3.3 二硫键的断裂对朊蛋白局部结构的影响42-45
• 2.4 结论45-47
• 第三章 基于常规分子动力学模拟和副本交换分子动力学模拟研究PrP106-126的结构多样性和聚集机制47-62
• 3.1 研究背景47-48
• 3.2 研究的体系和方法48-49
• 3.2.1 体系设置48
• 3.2.2 模拟设置48-49
• 3.2.3 分析方法49
• 3.3 结果与讨论49-61
• 3.3.1 PrP106-126单体的REMD模拟49-53
• 3.3.2 二聚体形成的副本交换的分子动力学模拟53-56
• 3.3.3 基于常规分子动力学模拟研究低聚体的形成过程56-61
• 3.4 结论61-62
• 第四章 基于副本交换的分子动力学模拟研究致病性突变A117V和保护性突变H111S对PrP106-126折叠和聚集的影响62-75
• 4.1 研究背景62
• 4.2 研究体系和方法62-63
• 4.3 结果和讨论63-74
• 4.3.1 REMD模拟的收敛63-65
• 4.3.2 二级结构的变化65-67
• 4.3.3 PrP106-126及其突变体的自由能面67
• 4.3.4 PrP106-126及其突变体的构象空间67-70
• 4.3.5 PrP106-126及其突变体中的链内相互作用70-74
• 4.4 结论74-75
• 第五章 基于副本交换的分子动力学模拟研究A117V突变对朊蛋白回文序列折叠和聚集的影响75-87
• 5.1 研究背景75-76
• 5.2 研究的体系和方法76-77
• 5.2.1 模拟设置76
• 5.2.2 分析方法76-77
• 5.3 结果和讨论77-86
• 5.3.1 PrP113-120的野生型和A117V突变型单体的结构特征77-79
• 5.3.2 PrP113-120的野生型和A117V突变型的构象空间特征79-81
• 5.3.3 两条多肽体系中PrP113-120及其突变体的二级结构81
• 5.3.4 两条多肽体系中PrP113-120及其突变体的链间相互作用81-83
• 5.3.5 四条多肽体系中PrP113-120及其突变体的聚集行为83-84
• 5.3.6 四条多肽体系中PrP113-120及其突变体的二级结构84-85
• 5.3.7 四条多肽体系中PrP113-120及其突变体的链间相互作用85-86
• 5.4 结论86-87
• 参考文献87-106
• 在学期间发表的论文目录106-107
• 致谢107-108

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