短多肽積聚機制的理論研究.pdf

1、具有正確三維結構的蛋白質(zhì)行使著生命活動的正常功能。而錯誤折疊蛋白質(zhì)的積聚則會引發(fā)諸多致命性的誤折疊病，如朊病毒病，二型糖尿病，老年癡呆癥以及帕金森氏綜合癥。很多的實驗技術都被用來測量淀粉樣積聚體的精細結構，并提供了大量關于淀粉樣纖維的靜態(tài)結構的清晰圖像。然而，一些研究成果表明肽鏈寡聚體本身而不是那些成熟的纖維對于活體細胞有毒性。另外，寡聚體還扮演著形成淀粉樣纖維的成核種子。許多沒有同源性的肽鏈都能形成形態(tài)接近的淀粉樣纖維結構，肽鏈的這種

2、能力可能是其的一種內(nèi)稟屬性。因而系統(tǒng)研究誤折疊蛋白質(zhì)的積聚過程具有非常重要的意義。然而，積聚過程中的諸多特性使得很難利用實驗手段來直接研究。
　　 全原子分子動力學模擬(MD模擬)不僅可以為人們提供更為精確的淀粉樣纖維結構的完整特性以及積聚動力學過程的補充信息，還可以填補一些實驗工作之間的空白。在本論文中，我們利用MD模擬系統(tǒng)研究了NFGAIL肽鏈(人類胰島淀粉樣多肽22-27序列段，hIAPP22-27)在純水中的積聚。在積聚

3、早期，疏水相互作用引發(fā)肽鏈兩兩間的二聚化并形成無序的四聚體，該無序的四聚體會通過進一步構象漲落促使肽鏈的二級結構由無規(guī)卷曲向β-束轉(zhuǎn)變，并促使更多的主鏈氫鍵的形成，進而促使其逐步轉(zhuǎn)化為部分有序的寡聚體(β片層)。這種部分有序寡聚體的結構仍不穩(wěn)定，但在該過程所表現(xiàn)出來的動力學特征有可能是NFGAIL肽鏈積聚早期形成積聚“核”的動力學特征。在成核以后的生長期，單體要么沿“核”(雙層反平行排列的β片層，每層由3條反平行排列的肽鏈組成)主軸生長

4、，要么肽鏈先形成反平行的二聚體β片層，再從側(cè)面堆積到“核”上去。幾乎所有肽鏈都是以反平行方式并入到“核”中，但還是有一條例外。由此可以看出纖維的生長路徑是多種多樣的。在模擬中，六條肽鏈組成的“核”都保持著比較穩(wěn)定的結構，由此可以看出作為NFGAIL肽鏈積聚的“核”的最小尺度可能為6條肽鏈。
　　 作為纖維從側(cè)面生長的模型系統(tǒng)，我們還發(fā)現(xiàn)水分子介導了兩個淀粉樣化NFGAILβ片層自組裝的過程。我們設計了兩種不同的初始構型：其一，兩

5、片層的界面形成一個一維受限的納米通道；其二，兩片層的界面形成一個受限的二維界面。在這兩種構型的自組裝過程中，我們都看到了“去浸潤相變”，并且這種現(xiàn)象發(fā)生的概率都很高，這就說明這種去浸潤相變而導致的疏水崩塌有可能為纖維的自組裝提供強大的驅(qū)動力。然而，與傳統(tǒng)的去浸潤相變理論預測相反的是，我們發(fā)現(xiàn)在受限的二維界面(2-D)上所發(fā)生的去浸潤現(xiàn)象要強于發(fā)生在受限的一維納米通道內(nèi)(1-D)的去浸潤現(xiàn)象。這個意外的發(fā)現(xiàn)主要是由于兩片層不同的排列模式由

6、導致界面呈現(xiàn)出不同的粗糙程度而引發(fā)的。
　　 肽鏈的二聚體是最小的寡聚體，是積聚過程中一種重要的中間體，盡管它不是肽鏈積聚的臨界核。系統(tǒng)研究淀粉樣化多肽的二聚化過程，可以增進人們對于積聚的普遍機制的了解。在本論文中還利用一種增強取樣的復本交換方法(REMD)研究了一個親水肽鏈片段GNNQQNY(取自朊病毒Sup35蛋白)的二聚化過程。我們提出了一種中央取向的二聚化機制：肽鏈中部殘基間的非原生型接觸引發(fā)了二聚化；其后肽鏈會通過重新

7、調(diào)整彼此的取向以形成平行的原生型結構。我們的結果還表明，位于肽鏈中部的殘基(Asn-3，Gln-4，Gln-5，Asn-6)對于穩(wěn)定二聚體的結構非常關鍵。尤其，殘基Asn-3在肽鏈早期的識別過程中發(fā)揮著中樞的作用。
　　 實驗發(fā)現(xiàn)當尿素溶液的濃度為～5M時，β乳球蛋白淀粉樣化的速度最快。而MD模擬工作發(fā)現(xiàn)，在8M尿素溶液中KLVFFAEβ片層的穩(wěn)定性由兩個相反的效應控制著：一方面尿素促進肽鏈變伸展，增強穩(wěn)定性；另一方面尿素會影響

8、肽鏈間相互作用，使肽鏈分離。是否存在著一個最優(yōu)濃度，在這個濃度下尿素促使肽鏈變伸展，但同時又不至于影響肽鏈間的相互作用，進而促進肽鏈積聚。我們發(fā)現(xiàn)，在4.5M尿素溶液中，尿素在NFGAIL肽鏈表面沉積會將原本位于肽鏈第一水合層中的水分子排出并促使肽鏈的β構象會顯著增加。尿素與肽鏈之間較強的色散相互作用驅(qū)動著尿素優(yōu)先于水在肽鏈表面沉積。然而，我們發(fā)現(xiàn)，即使?jié)舛葍H為1M，尿素也能有效的減緩肽鏈的積聚及其進一步形成淀粉樣纖維的進程。尿素的這種

9、效應，主要是因為尿素能夠在肽鏈的表面沉積，尤其在肽鏈主鏈附近沉積并與肽鏈的主鏈形成較強的氫鍵而導致的。值得注意的是，尿素并不會影響肽鏈側(cè)鏈間的聚合。
　　 之前我們利用MD模擬研究了尿素誘導溶菌酶蛋白發(fā)生全域去折疊的分子機制，并發(fā)現(xiàn)了一種“直接相互作用機制”：尿素通過與蛋白之間遠強于水與蛋白間的直接色散相互作用誘導了蛋白的去折疊。本論文我們對四種不同的蛋白質(zhì)/肽鏈在尿素溶液中的系統(tǒng)進行了大量的MD模擬，發(fā)現(xiàn)對于所有的系統(tǒng)，尿素都

10、會優(yōu)先于水沉積在蛋白的表面，這表明尿素誘導蛋白質(zhì)發(fā)生變性是通過直接的攻擊，而不是作為“水分子破壞者”通過改變水分子間的結構來間接影響蛋白質(zhì)結構的。尿素優(yōu)先于水在蛋白表面的沉積主要是由于尿素與蛋白之間遠強于水與蛋白之間的直接色散相互作用而導致的。此外，通過模擬NFGAIL肽鏈在不同濃度的尿素溶液中(4.5和8M)以及在不同力場(CHARMM和OPLSAA)表征下的系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，我們之前提出的“色散相互作用誘導”的直接機制非常堅定，與濃度和力場

11、無關。我們的這些結果表明“色散相互作用誘導”的直接機制應當是尿素誘導蛋白質(zhì)變性的普適性機制。
　　 系統(tǒng)的了解碳納米管(carbonnanotube，簡稱為CNT)與一些生物分子的相互作用，如蛋白質(zhì)或者肽鏈，對于基于碳納米管的納米技術和生物技術至關重要。最近的實驗工作證實蛋白質(zhì)或者肽鏈中的芳香族氨基酸與碳納米管外表面的π-π堆積相互作用對于蛋白質(zhì)或者肽鏈與碳納米管的結合過程又起著最為關鍵的作用。另一方面，人們對于利用MD模擬蛋白

12、質(zhì)或者肽鏈與碳納米管的相互作用(包括π-π堆積相互作用)越來越感興趣。然而，MD方法有效性的論證，以及系統(tǒng)并可靠地刻畫芳香族氨基酸與碳納米管的π-π相互作用仍然寥寥無幾。我們利用基于量子力學的DFTB-D方法以及基于分子力學的MD模擬方法(模擬體系以三類常用的固定電荷經(jīng)典分子力場，即，OPLSAA，AMBER，和CHARMM力場表征)系統(tǒng)對比研究了三類芳香族氨基酸(苯丙氨基，酪氨酸，以及色氨酸)類似物和苯在氣相下與(5，5)碳納米管的，

13、π-π結合特性。我們考慮了兩種芳香族分子相對于碳管的能量有利的構型，一種是“面對面”(flat)型的另一種是“面對邊”(edge)型的，其中“面對面”型芳香環(huán)平行于CNT的表面，而“面對邊”型芳香環(huán)垂直于CNT的表面(分別對應于π-π堆積以及芳香環(huán)上的氫原子與π電子云的靜電相互作用)。就結合相互作用能而言，對于這兩種構型，基于MM方法的數(shù)據(jù)與QM方法的數(shù)據(jù)非常的吻合，這兩種構型的能量差也非常的吻合。這些結果表明，經(jīng)典的方法能夠較為準確的