本文關(guān)鍵詞：淀粉樣變病相關(guān)蛋白的錯誤折疊和聚集行為的分子動力學模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：淀粉樣變病是由蛋白質(zhì)的錯誤折疊和聚集所引起的一類退行性疾病。迄今為止,已知27種蛋白質(zhì)可以引起腦部或其它淀粉樣蛋白異常沉積,導(dǎo)致淀粉樣變病的發(fā)生。這些蛋白質(zhì)并不具有序列同源性,但是它們所形成的淀粉樣纖維具有共同的生物物理性質(zhì)和致病機理。淀粉樣蛋白沉積與許多神經(jīng)退行性疾病相關(guān),包括阿爾茨海默癥、帕金森病、朊病毒病和亨廷頓病等。同時,也與一些非神經(jīng)性疾病(如Ⅱ-型糖尿病)或系統(tǒng)型淀粉樣變病相關(guān)(如老年性系統(tǒng)性淀粉樣變)。探究蛋白質(zhì)發(fā)生錯誤折疊和聚集的機理有助于進一步了解淀粉樣變病的致病機理,為相關(guān)抑制劑的設(shè)計提供一定的理論支持。目前,通過實驗手段從原子水平上探究淀粉樣蛋白沉積的形成仍存在許多困難和挑戰(zhàn),而分子動力學模擬(molecular dynamics simulation, MD)作為一種補充手段因其可以提供許多實驗上難以獲得的信息而被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的錯誤折疊和聚集機制的研究。鑒于此,本論文通過分子動力學模擬結(jié)合多種分析方法對淀粉樣變病相關(guān)蛋白(朊蛋白和胰島淀粉樣多肽)進行了研究,主要包括以下三方面的工作：第一部分,朊蛋白(Prion)氨基酸突變致家族性朊病毒病發(fā)生的分子機制研究。朊病毒病是唯一具有傳染性的蛋白構(gòu)象病。正常的朊蛋白(PrPc)發(fā)生錯誤折疊轉(zhuǎn)變?yōu)橹虏⌒?PrPSc)是導(dǎo)致朊病毒病發(fā)生的關(guān)鍵。許多單點氨基酸突變可引起家族性人類朊病毒疾病,如T188K/R/A、D202N、E211Q和Q217R等。了解單點氨基酸突變對朊蛋白的影響對探索朊蛋白相關(guān)疾病的發(fā)病機制非常重要。遺憾的是,實驗上獲得PrPsc的結(jié)構(gòu)非常困難,探索PrPc到PrPsc轉(zhuǎn)變的機理仍是一個很大的挑戰(zhàn)。本部分工作中,我們對突變前后的朊蛋白球形結(jié)構(gòu)域的性質(zhì)進行了考查。a) 位于H2上的T188K/R/A突變。結(jié)果表明這三個致病性突變對PrP的整體結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,但可以引起局部蛋白穩(wěn)定性或構(gòu)象的變化。具體來說,盡管這三個突變發(fā)生在相同位置,它們對PrP的動態(tài)性質(zhì)具有不同的影響,包括H1的移動、原有的β-sheet的延長以及S2-H2 loop到3 10-helix的轉(zhuǎn)變。因此,三種突變可能具有不同的致病機理。b)位于H3上的D202N、E211Q和Q217R突變。它們對PrP的二級結(jié)構(gòu)影響不大,但對蛋白表面的靜電分布影響顯著。由此,我們推斷靜電表面的變化可能會進一步影響聚集過程中分子間的識別和相互作用。此外,突變對PrP球形結(jié)構(gòu)域的柔性和熱力學性質(zhì)也有一定的影響。第二部分,IAPP22-28成核機制及形成原纖維的穩(wěn)定性探究。胰島淀粉樣多肽(islet amyloid polypeptide, IAPP)在胰島β-細胞中與胰島素共同分泌,其異常聚集形成的淀粉樣纖維在胰島組織中的出現(xiàn)與Ⅱ-型糖尿病相關(guān)。因此,探究IAPP從可溶性的單體轉(zhuǎn)變?yōu)棣?sheet狀的纖維的過程對設(shè)計Ⅱ-型糖尿病的抑制劑具有重要的參考價值。我們利用分子動力學模擬系統(tǒng)地研究了IAPP22-28(?)聚體(四條肽和八條肽)的成核過程及其低聚體模型(二聚體到16聚體)的構(gòu)象穩(wěn)定性。計算結(jié)果表明無序的IAPP22-28片段可以很快聚集成部分有序的富含β-sheet的低聚體。對于不同的原纖維模型來說,雙層模型表現(xiàn)出很高的穩(wěn)定性,而單層和三層模型的穩(wěn)定性相對比較差。因此,低聚體的穩(wěn)定性不僅與多肽數(shù)有關(guān),還與其排列方式相關(guān)。疏水作用和主鏈氫鍵作用是多肽自組裝的驅(qū)動力,并進一步穩(wěn)定原纖維構(gòu)象。我們的結(jié)果還表明IAPP22-28在β-sheet片層內(nèi)傾向于反平行構(gòu)象。本工作不僅有助于我們進一步理解IAPP成核過程及其結(jié)構(gòu)多態(tài)性,對相關(guān)抑制劑的設(shè)計也有重要的參考價值。第三部分,碳納米材料對IAPP22-28低聚過程的影響。近些年來,納米材料已被廣泛應(yīng)用于生命醫(yī)學領(lǐng)域,其中尤以碳納米材料最受關(guān)注。納米顆粒很小,幾乎能進入生物體內(nèi)任何區(qū)域,因而使得蛋白質(zhì)的作用復(fù)雜化。目前,關(guān)于納米材料是抑制還是加速amyloid的形成,仍存有爭議。本工作中,我們對hIAPP22-28低聚體的形成以及碳納米材料(石墨烯、單壁碳納米管和C60)對其自組裝過程的影響進行了系統(tǒng)的研究。模擬結(jié)果顯示不同碳納米顆�？蓮牟煌潭壬弦种艻APP22-28的聚集：石墨烯單壁碳納米管C60。吸附過程的主要主驅(qū)動力是疏水作用,并且在不同納米材料體系中也有所不同,其結(jié)果差異可能來源于納米顆粒的不同表面積和表面曲率。此外,石墨烯和單壁碳納米管的抑制作用強調(diào)了它們對多肽的吸附作用相對于多肽間的相互作用具有競爭優(yōu)勢。探究納米顆粒對淀粉樣多肽聚集過程的影響不僅對設(shè)計安全、有效的納米材料是寶貴的,并且對探索相關(guān)疾病的致病機理及抑制劑的設(shè)計也很有幫助�？偟膩碚f,對PrP突變體的研究有助于理解突變誘導(dǎo)朊蛋白從PrPc到PrPSc的構(gòu)象轉(zhuǎn)變進而引起家族性朊病毒病發(fā)生的分子機制。對IAPP22-28(?)聚過程、低聚體穩(wěn)定性及碳納米顆粒對其聚集的影響的考察,有助于探究hIAPP的成核機理及低聚體結(jié)構(gòu)多態(tài)性,并為Ⅱ-型糖尿病抑制劑的設(shè)計提供寶貴信息。此外,我們的研究工作對其它蛋白質(zhì)的錯誤折疊和聚集機理的研究也有一定的借鑒作用,并對相關(guān)抑制劑的設(shè)計、疾病的預(yù)防和治療提供有價值的信息。
【關(guān)鍵詞】：朊蛋白 胰島淀粉樣多肽 錯誤折疊 聚集 分子動力學模擬
【學位授予單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R597.2
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-36
• 1.1 淀粉樣蛋白沉積及淀粉樣變病14-18
• 1.1.1 阿爾茨海默癥及β-淀粉樣蛋白和Tau蛋白14-16
• 1.1.2 朊病毒病及朊蛋白16-18
• 1.1.3 Ⅱ-型糖尿病及胰島淀粉樣多肽18
• 1.2 蛋白的錯誤折疊和聚集及淀粉樣變病的研究進展18-25
• 1.2.1 淀粉樣變病相關(guān)蛋白發(fā)生錯誤折疊和聚集的普遍機理18-21
• 1.2.2 蛋白質(zhì)發(fā)生錯誤折疊和聚集的危害21-23
• 1.2.3 阻止蛋白質(zhì)發(fā)生錯誤折疊和聚集的策略23-25
• 1.3 分子模擬在淀粉樣變病相關(guān)蛋白的錯誤折疊及聚集中的應(yīng)用25-29
• 1.3.1 淀粉樣變病相關(guān)蛋白的分子模擬研究25-26
• 1.3.2 朊蛋白相關(guān)研究26-28
• 1.3.3 胰島淀粉樣多肽相關(guān)研究28-29
• 1.4 分子動力學模擬方法概述29-36
• 1.4.1 分子力場29-30
• 1.4.2 分子動力學30-32
• 1.4.3 非鍵相互作用能的處理及邊界條件32-33
• 1.4.4 溶劑效應(yīng)33
• 1.4.5 調(diào)溫和調(diào)壓技術(shù)33-34
• 1.4.6 分子動力學模擬的基本流程34
• 1.4.7 分子動力學模擬方法的應(yīng)用展望34-36
• 第二章 致病性突變T188K/R/A對prion的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和錯誤折疊的影響36-48
• 2.1 背景介紹36
• 2.2 實驗方法及步驟36-39
• 2.2.1 初始結(jié)構(gòu)準備36-37
• 2.2.2 分子動力學模擬37-38
• 2.2.3 分析方法38-39
• 2.3 結(jié)果討論39-47
• 2.3.1 野生型和突變型PrP的整體穩(wěn)定性39
• 2.3.2 局部結(jié)構(gòu)特征39-42
• 2.3.3 二級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性42-47
• 2.3.4 突變所引起的共同的和特有的錯誤折疊特征47
• 2.4 本章小結(jié)47-48
• 第三章 致病性突變D202N、E211Q和Q217R對prion的結(jié)構(gòu)和熱力學穩(wěn)定性的影響48-58
• 3.1 背景介紹48-49
• 3.2 實驗方法及步驟49-50
• 3.2.1 體系搭建和分子動力學模擬49
• 3.2.2 軌跡分析49
• 3.2.3 MM-GBSA計算49-50
• 3.3 結(jié)果與討論50-55
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)特征50-53
• 3.3.2 熱力學性質(zhì)53-55
• 3.4 討論55-57
• 3.4.1 突變對朊蛋白球形結(jié)構(gòu)域性質(zhì)的影響55-56
• 3.4.2 起始構(gòu)象和模擬條件的局限性56-57
• 3.5 本章小結(jié)57-58
• 第四章 胰島淀粉樣多肽片段(IAPP_(22-28))低聚體的結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性：從二聚體到16聚體58-74
• 4.1 背景介紹58
• 4.2 實驗方法及步驟58-59
• 4.3 結(jié)果分析59-71
• 4.3.1 IAPP_(22-28)低聚體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性59-69
• 4.3.2 無序多肽的動態(tài)聚集69-71
• 4.4 討論71-73
• 4.5 本章小結(jié)73-74
• 第五章 碳納米顆粒對胰島淀粉樣多肽片段(IAPP_(22-28))聚集的影響的分子動力學模擬研究74-87
• 5.1 背景介紹74-75
• 5.2 實驗方法及步驟75-76
• 5.2.1 模型的搭建和分子動力學模擬75-76
• 5.2.2 軌跡分析76
• 5.3 結(jié)果與討論76-85
• 5.3.1 低聚體的動態(tài)聚集(無納米顆粒)76-79
• 5.3.2 有效吸附是IAPP_(22-28)與碳納米顆粒相互作用的第一階段79-82
• 5.3.3 納米顆粒使低聚體的β-sheet含量降低并抑制低聚體的形成82-84
• 5.3.4 表面曲率和表面積大小對納米顆粒和IAPP_(22-28)相互作用的影響84-85
• 5.4 本章小結(jié)85-87
• 第六章 結(jié)論與展望87-89
• 6.1 主要結(jié)論87
• 6.2 研究展望87-89
• 參考文獻89-106
• 在學期間的研究成果106-108
• 作者簡介108-109
• 致謝109

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本文編號：296596