發(fā)布時間：2017-05-27 01:08

  本文關鍵詞：計算機模擬淀粉樣蛋白纖維化的物理機制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：目前,幾大難以治愈的淀粉樣疾病正在嚴重影響和威脅著人類的健康,這類疾病有我們熟知的二型糖尿病、老年癡呆癥、瘋牛病等。越來越多的研究結果表明：淀粉樣蛋白/多肽(如淀粉樣β多肽(Aβ)、人體胰島淀粉樣多肽(hIAPP))形成的淀粉樣沉淀與此類疾病相關。導致各種疾病的不溶性淀粉樣沉淀廣泛分布在細胞器和神經(jīng)元中,雖然是由不同種類蛋白質錯誤折疊堆積形成的,但沉淀具有相似的纖維結構,且其生長均具有核依賴性。當前大多數(shù)課題組的研究方向主要集中在兩方面：第一,探究淀粉樣纖維成核機制及組裝多樣性；第二,如何抑制/防止淀粉樣纖維的堆積。在電子/原子力顯微鏡或二維紅外光譜下,淀粉樣纖維通常會呈現(xiàn)出多種不同的形態(tài),表明淀粉樣纖維組裝方式具有多樣性�？扇艿闹虚g態(tài)寡聚體及前體纖維已被證明對細胞最具毒性。伸長期的臨界淀粉樣核瞬間存在,且濃度較低,實驗上很難捕捉到。在本文中,我們主要的研究對象有hIAPP20-29片段寡聚體、全長hIAPP1-37寡聚體、Aβ1-42二聚體。分子動力學模擬(Molecular Dynamics Simulation,MDS)方法以經(jīng)典物理學為理論基礎,可以實時地模擬生物體系中各原子的微觀運動,結合統(tǒng)計力學原理研究蛋白質構象及相關性質。當前我們可以利用很多軟件,如GROMACS.AMBER等來模擬實驗上難以得到的微觀動態(tài),從原子水平上解釋實驗現(xiàn)象,詳細了解分子水平的生物過程,進而設計開發(fā)新型藥物。MD模擬的精確性依賴于力場。當前廣泛使用的力場,比如AMBER,OPLS, CHARMM,大都沒有考慮到極化性,其原子電荷是固定不變的(也即原子電荷不會隨蛋白體系改變而改變),這會給模擬結果帶來很大的誤差。針對動力學中的這一瓶頸,我們組開發(fā)了極化蛋白質專一性電荷(polarized protein-specific charges),簡稱PPC。在本文中我們首次將PPC應用到淀粉樣纖維的動力學中,探究靜電極化效應對人體胰島淀粉樣多肽hIAPP20-29片段和hIAPP1-37寡聚體動力學穩(wěn)定性及組裝協(xié)同性的影響。模擬結果表明靜電極化效應可以有效維持hIAPP寡聚體的動力學穩(wěn)定性。此外,使用類似于可極化的方法計算相鄰p鏈之間的靜電相互作用能,我們發(fā)現(xiàn)兩個相鄰單體(1和2)之間的靜電相互作用能量在前三個寡聚體中增加的非�？�。如果我們在兩側同時增加單體,靜電相互作用能量較單側時成倍增加,這為hIAPP寡聚體的組裝協(xié)同性提供了有力的證據(jù),也與實驗上觀測到的淀粉樣纖維慢成核、快生長現(xiàn)象相一致。hIAPP同胰島素一起從酸性分泌顆粒中分泌出來,即由約為5.5的低pH值到中性pH的細胞外環(huán)境中。糖尿病患者細胞外hIAPP的不斷積累表明pH值的變化或許可以促進淀粉樣沉淀的形成。為了進一步探究pH值對hIAPP原纖維生長的影響機理,我們在顯式溶劑模型中運行了全原子分子動力學模擬來研究五類hIAPP原纖維寡聚體分別在酸性和中性pH下的結構特性。模擬結果與實驗結果一致：酸性pH值不利于此類寡聚體的結構穩(wěn)定性。我們的全原子模擬揭示酸性pH值主要通過破壞氫鍵網(wǎng)絡來影響殘基His18周圍結構,氫鍵的破壞源于酸性環(huán)境下鏈間質子化His18的相互排斥作用。此外,補充的粗�；M清楚顯示帶電His18殘基間的靜電排斥相互作用以兩倍的速率減緩了hIAPP二聚化過程。這表明相鄰β單體上His18附近的局部相互作用可以引發(fā)結構轉變,也給予實驗結果以指導：hIAPP原纖維的形成速率和纖維結構的形態(tài)學強烈依賴于pH值。老年癡呆癥的一個明顯特點是大腦中存在淀粉樣沉積物/斑塊,這是由淀粉樣β蛋白堆積而成的。最近很多研究表明小分子或短肽能夠有效地抑制堆積物的形成,進而減輕細胞毒性。然而,其抑制機理仍未被徹底揭示。本文第五章細致地探究了小分子NQtrp與Alzheimer's Aβ1-42二聚體之間的微觀相互作用。結果表明,NQtrp偏向與疏水性帶電殘基(包括MET LEU TYR ARG GLU LYS)發(fā)生相互作用。當將NQtrp拆分為6個官能團CO、CO'、COO-、NH、indole 和 NQ后,結合幾率矩陣圖清晰地表明各官能團與蛋白結合幾率從高到低依次為：NQCO'COCOO-indoleNH。NQ上的芳香基團在與蛋白相互作用時起到了重要作用。
【關鍵詞】：分子動力學模擬 極化蛋白質專一性電荷(PPC) 二型糖尿病 老年癡呆癥 淀粉樣蛋白 hIAPP Aβ_(1-42) 寡聚體 組裝
【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：Q51
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 插圖和附表清單13-16
• 第一章 綜述16-28
• 1.1 分子動力學模擬的發(fā)展及缺陷16-19
• 1.2 極化(PPC)力場19-21
• 1.3 淀粉樣蛋白及其分子動力學模擬21-27
• 1.4 本文結構27-28
• 第二章 基礎原理及淀粉樣蛋白簡介28-47
• 2.1 計算方法28-34
• 2.1.1 分子力場及其各作用項的表達式28-31
• 2.1.2 分子力場的發(fā)展歷史31-32
• 2.1.3 分子動力學模擬計算的基本原理32-34
• 2.2 溶劑化模型34-40
• 2.2.1 顯式溶劑模型35-36
• 2.2.2 隱式溶劑模型(PB模型和GB模型)36-40
• 2.3 淀粉樣蛋白簡介40-47
• 2.3.1 人胰島淀粉樣多肽(hIAPP)41-44
• 2.3.2 淀粉樣β蛋白(Aβ)44-47
• 第三章 靜電極化效應對人體胰島淀粉樣多肽hIAPP動力學穩(wěn)定性和組裝協(xié)同性的影響47-66
• 3.1 引言47-48
• 3.2 理論基礎與模擬方法48-51
• 3.2.1 PPC電荷的計算及MD協(xié)議48-49
• 3.2.2 模擬用到的初始結構及模擬軌跡細節(jié)49-51
• 3.3 體系hIAPP_(20-29)寡聚體的模擬結果和討論51-58
• 3.3.1 極化力場PPC對包含7個單體的β-sheet寡聚體的影響51-54
• 3.3.2 極化力場對其它β-sheet寡聚體的影響54-55
• 3.3.3 hIAPP_(20-29)體系中β單體的組裝協(xié)同性55-58
• 3.4 體系hIAPP_(1-37)寡聚體的模擬結果和討論58-65
• 3.4.1 hIAPP_(1-37)寡聚體的構象變化58-59
• 3.4.2 氫鍵的極化效應59-62
• 3.4.3 hIAPP_(1-37)寡聚體的組裝協(xié)同性62-65
• 3.5 結論65-66
• 第四章 酸性pH值抑制人胰島淀粉樣多肽的纖維化——由于組氨酸的靜電排斥作用66-81
• 4.1 引言66-67
• 4.2 研究體系和計算方法67-69
• 4.2.1 全原子動力學模擬設置和協(xié)議67
• 4.2.2 基于結構的粗�；Ｐ�67-68
• 4.2.3 各分析方法的理論基礎68-69
• 4.3 結果和討論69-79
• 4.3.1 兩種pH值對hIAPP_(1-37)寡聚體的影響69-71
• 4.3.2 兩種pH值對18號His殘基的影響71-73
• 4.3.3 兩種pH值下His18周圍的局部結構73-78
• 4.3.4 使用粗�；Ｐ瓦M行折疊探究78-79
• 4.4 結論79-81
• 第五章 從細節(jié)處探究NQtrp與Alzheimer's Aβ_(1-42)二聚體之間的微觀相互作用81-90
• 5.1 引言81-82
• 5.2 初始結構和REMD模擬方法82-83
• 5.2.1 初始結構和模擬細節(jié)82-83
• 5.2.2 分析方法83
• 5.3 結果與討論83-89
• 5.3.1 模擬結果的收斂性評估83-84
• 5.3.2 NQtrp對Aβ_(1-42)二聚體構象影響84-86
• 5.3.3 NQtrp與Aβ_(1-42)二聚體各殘基的結合幾率86-87
• 5.3.4 NQtrp上的個官能團與Aβ_(1-42)二聚體各殘基的結合幾率87-88
• 5.3.5 系統(tǒng)的自由能圖景分析88-89
• 5.4 結論89-90
• 第六章 創(chuàng)新之處與總結展望90-93
• 6.1 本論文的意義和創(chuàng)新之處90-92
• 6.1.1 探究極化效應對hIAPP動力學穩(wěn)定性和組裝協(xié)同性的影響90-91
• 6.1.2 從原子水平揭示pH值抑制hIAPP堆積的物理機制91
• 6.1.3 探究小分子NQtrp與Aβ_(1-42)的相互作用機制91-92
• 6.2 未來與展望92-93
• 參考文獻93-129
• 博士期間發(fā)表論文129-130
• 致謝130-13

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本文編號：398508