β-淀粉樣蛋白多態(tài)性的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、阿爾茲海默病(Alzheimer's Disease，AD)是一種以認(rèn)知功能障礙為特征的神經(jīng)退行性疾病，嚴(yán)重威脅老年人健康。淀粉樣蛋白β(Aβ)的錯(cuò)誤折疊和異常聚集是導(dǎo)致AD的主要原因之一。Aβ單體構(gòu)象呈多態(tài)性分布，不同構(gòu)象之間處于動(dòng)態(tài)平衡，利用理論模擬研究Aβ構(gòu)象變化的熱力學(xué)特征和動(dòng)力學(xué)過程，成為揭示AD發(fā)病機(jī)理的重要方法。Aβ單點(diǎn)突變體與家族性AD發(fā)病機(jī)理密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)A21、E22、D23、M35位點(diǎn)的單點(diǎn)突變能夠增大或減小A

2、β的聚集傾向，但對(duì)這些突變體如何影響Aβ的構(gòu)象轉(zhuǎn)變進(jìn)而調(diào)控Aβ聚集的分子機(jī)制仍然缺乏深入理解。其次，體內(nèi)金屬離子如Zn，Cu和Fe等離子能夠促進(jìn)Aβ聚集導(dǎo)致生成具有細(xì)胞毒性的Aβ寡聚體，與AD的發(fā)病機(jī)理密切相關(guān)。研究金屬離子與Aβ的相互作用能夠從分子水平上揭示金屬離子對(duì)Aβ構(gòu)象多態(tài)性的影響。最后，近年實(shí)驗(yàn)表明可溶性的Aβ寡聚體比成熟的纖維體具有更大的細(xì)胞毒性。Aβ寡聚體富含β-折疊構(gòu)象，結(jié)構(gòu)也具有多態(tài)性分布的特點(diǎn)。研究由處于β-折疊構(gòu)象

3、的Aβ在水溶液中自發(fā)聚集過程的動(dòng)力學(xué)行為有助于揭示Aβ寡聚體的結(jié)構(gòu)和功能特征，闡明Aβ寡聚體形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)因素。因此，本文研究的主要內(nèi)容包括:
　　(1)利用副本交換分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)Aβ42及其突變體(A21G、E22G、E22K、E22Q、D23N、E22Δ和Met35OX)的構(gòu)象空間進(jìn)行采樣。綜合二面角動(dòng)力學(xué)分析以及馬爾科夫模型闡述了Aβ42及其突變體的自由能地貌、微觀狀態(tài)以及動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。本文模擬結(jié)果揭示單點(diǎn)突變能夠改變

4、Aβ42的自由能地貌;Aβ42及其突變體的二面角勢(shì)能曲線相互之間具有不同程度的差異，但是勢(shì)能曲線上的最低點(diǎn)沒有顯著發(fā)生改變。馬爾科夫模型進(jìn)一步揭示了Aβ42中E22和D23突變體相對(duì)于Aβ42具有多個(gè)微觀狀態(tài)轉(zhuǎn)化樞紐，以致增加了Aβ42構(gòu)象相互轉(zhuǎn)換的路徑，最終加速Aβ42的聚集。相反，A21G和Met35OX突變體的構(gòu)象轉(zhuǎn)變更傾向發(fā)生于同一個(gè)微觀狀態(tài)體系。馬爾科夫動(dòng)態(tài)網(wǎng)格模型與自由能地貌圖相結(jié)合揭示了A21G和Met35OX不同微觀狀態(tài)

5、之間的轉(zhuǎn)變?cè)趧?dòng)力學(xué)上是可行的，但是在熱力學(xué)上是不容易發(fā)生的。
　　(2)利用副本交換分子動(dòng)力學(xué)研究了結(jié)合Zn2+的Aβ40/Aβ42的多態(tài)性特征。利用二面角動(dòng)力學(xué)分析策略計(jì)算了結(jié)合Zn2+的Aβ40（Aβ40-Zn2+）和Aβ42（Aβ42-Zn2+）單個(gè)二面角的勢(shì)能分布，同時(shí)運(yùn)用二面角主成分分析刻畫了Aβ40-Zn2+和Aβ42-Zn2+的勢(shì)能面。最后利用馬爾科夫模型建立了Aβ40-Zn2+和Aβ42-Zn2+構(gòu)象轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)

6、。本文結(jié)果表明:Aβ40-Zn2+和Aβ42-Zn2+單個(gè)二面角的勢(shì)能分布具有很大的相似程度，其中由Va124-Gly25-Ser26-Asn27構(gòu)成的二面角差異最大;Aβ40-Zn2+和Aβ42-Zn2+的勢(shì)能面均很平坦，反映了結(jié)合Zn2+的Aβ構(gòu)象轉(zhuǎn)變需要克服的能壘較低，不同構(gòu)象處于動(dòng)態(tài)平衡，呈現(xiàn)多態(tài)性的特征;馬爾科夫模型進(jìn)一步揭示了Aβ40-Zn2+和Aβ42-Zn2+構(gòu)象轉(zhuǎn)變的動(dòng)態(tài)特征，由一定相似程度的構(gòu)象聚類而成的微觀狀態(tài)均處

7、于折疊網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，從動(dòng)力學(xué)上反映了結(jié)合Zn2+的Aβ構(gòu)象轉(zhuǎn)變?nèi)菀装l(fā)生。特別的，發(fā)現(xiàn)β折疊結(jié)構(gòu)在含Zn2+的Aβ構(gòu)象中作用微小，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。
　　(3)利用常規(guī)分子動(dòng)力學(xué)方法研究了含β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)的Zn2+-Aβ40單體在水溶液中自發(fā)聚集成寡聚體的過程以及Zn2+對(duì)Zn2+-Aβ40單體和Zn2+-Aβ40寡聚體中β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)影響;利用MM-PBSA方法探討了Zn2+-Aβ40寡聚體的熱力學(xué)特性。結(jié)果表明:Zn2+-Aβ40單

8、體中的β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)在水溶液中不穩(wěn)定;兩個(gè)Zn2+-Aβ40單體能夠自組裝形成相對(duì)穩(wěn)定的二聚體(Aβ40-Zn2+)2且β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯的改變;(Aα40)2中兩個(gè)Aβ40單體的相對(duì)位置發(fā)生改變并且結(jié)構(gòu)變的無序，揭示Zn2+有助于穩(wěn)定(Aβ40-Zn2+)2中的β-發(fā)夾結(jié)構(gòu)和兩個(gè)單體非纖維體取向。MM/PBSA計(jì)算結(jié)果說明(Aβ40-Zn2+)2和(Aβ40-Zn2+)4在水溶液中是可溶的;由二聚體進(jìn)一步聚集生成其它寡聚體[(Aβ

9、40-Zn2+)n＞2]在熱力學(xué)上是可行的;本文研究表明(Aβ40-Zn2+)2可能是形成更大Zn2+-Aβ40寡聚體的結(jié)構(gòu)單元。
　　綜上所述，本文利用分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示了Aβ構(gòu)象空間多態(tài)性的特征以及單體突變，金屬離子和聚集過程對(duì)Aβ多態(tài)性的影響。Aβ突變體的構(gòu)象雖然仍呈現(xiàn)多態(tài)性，但構(gòu)象轉(zhuǎn)換的微觀動(dòng)力學(xué)已經(jīng)發(fā)生深刻變化;金屬Zn2+降低了Aβ單體構(gòu)象轉(zhuǎn)變的勢(shì)能，導(dǎo)致Aβ構(gòu)象的平衡分布發(fā)生變化，特別是β-折疊構(gòu)象的布局降低;結(jié)合Z