本文關鍵詞：朊蛋白錯誤折疊和聚集機制的分子動力學模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：朊病,又稱為傳染性海綿狀腦病(transmissible spongiform encephalopathy, TSE),是一系列進行性神經(jīng)退行性疾病的總稱,包括人類的庫魯病、家族性失眠癥、格斯特曼綜合征以及動物中的瘋牛病、羊瘙癢癥等。這類疾病與朊蛋白(prion, PrP)的錯誤折疊和聚集有關,但是朊蛋白從自然態(tài)(PrPC)到致病型(PrPc)自發(fā)轉(zhuǎn)變的機制仍然不明確。深入理解朊蛋白的構(gòu)象轉(zhuǎn)變機制對闡明朊病的病因非常關鍵,因此獲得prpSc的結(jié)構(gòu)是非常必要的。但是prpSc表現(xiàn)出很強的聚集傾向,不易結(jié)晶,常規(guī)實驗手段很難獲得其結(jié)構(gòu)。分子動力學(molecular dynamics, MD)模擬則可以提供詳細的結(jié)構(gòu)信息用于研究蛋白質(zhì)的折疊和與疾病相關的錯誤折疊。在本論文中,我們應用分子動力學模擬擬研究了朊蛋白及其關鍵序列的折疊和聚集機制,為進一步闡明朊病的發(fā)病機制和合理的藥物設計提供了支持。論文的第一章對淀粉樣變病、朊蛋白的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、朊蛋白中的關鍵序列等進行了概述,同時對分子動力學模擬及其增強采樣的算法副本交換分子動力學(replica exchange molecular dynamics, REMD)模擬進行了介紹,并總結(jié)了朊蛋白錯誤折疊和聚集的分子動力學模擬研究以及該研究領域常用的分子模型和算法。在其后的四個章節(jié)中,我們從不同的結(jié)構(gòu)層次研究了朊蛋白及其關鍵序列的錯誤折疊與聚集。首先,我們研究了朊蛋白中二硫鍵的斷裂對朊蛋白結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響。在論文的第二章,我們針對朊蛋白的野生型、還原型和丙氨酸突變型分別進行了MD模擬。結(jié)果表明,二硫鍵的斷裂引起了H1的移動、β-sheet含量的增加以及疏水性內(nèi)核的破壞。這些結(jié)構(gòu)變化與低pH值、變性劑和致病性突變所引起的朊蛋白構(gòu)象變化是一致的,這表明二硫鍵的斷裂能夠引起朊蛋白的錯誤折疊。其次,我們對朊蛋白關鍵序列PrP106-126的構(gòu)象空間和聚集行為進行了闡釋。PrP106-126表現(xiàn)出與全長朊蛋白相似的性質(zhì),在朊蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過程中發(fā)揮著重要的作用,同時PrP106-126可溶性低聚體表現(xiàn)出明顯的神經(jīng)毒性。因此,PrP106-126可以作為模型多肽研究朊病的成因。在論文的第三章中,基于REMD模擬,我們首先研究了PrP106-126單體和二聚體的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。PrP106-126的單體表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)柔性。其二聚體仍然表現(xiàn)出很大的結(jié)構(gòu)柔性,疏水性相互作用是推動二聚體形成的主要驅(qū)動力。為了更進一步地研究PrP106-126的低聚機制,針對PrP106-126三聚體和四聚體的形成過程,我們分別進行了兩組長達1μs的常規(guī)MD模擬。我們觀察到了多種自發(fā)形成的低聚體。在模擬過程中,采樣到了穩(wěn)定的低聚體,這些低聚體表現(xiàn)出非常高的β-sheet含量。此外,這些低聚體還表現(xiàn)出了相同的結(jié)構(gòu)元素,在PrP106-126疏水性碳端形成的以殘基118-120為轉(zhuǎn)角的β-hairpin結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)有可能穩(wěn)定了低聚體。這一研究提供了PrP106-126的構(gòu)象特征,增加了對PrP106-126低聚機制的理解。然后,我們更加深入地研究了PrP106-126及其突變體的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。實驗表明,A117V突變增強PrP106-126的毒性同時加快PrP106-126聚集速率,而H111S突變抑制PrP106-126的聚集。理解這兩個突變對PrP106-126聚集傾向相反的影響有利于闡明PrP106-126的聚集機制,同時對抑制劑的設計也有一定的指導意義。在論文的第四章中,我們基于REMD模擬研究致病性突變A11 7V和保護性突變H111S對PrP106-126折疊和聚集的影響。在該工作中,針對野生型,A117V和H111S突變型PrP106-126進行了REMD模擬。這三種多肽都表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)的無序性,沒有獲得主流的構(gòu)象。但是,A117V突變體更傾向于獲得β-hairpin結(jié)構(gòu),而H111S突變體更容易獲得螺旋的構(gòu)象。同時,A117V突變引起了PrP106-126疏水性表面積的增大,而H111 S則降低了PrP106-126的疏水性表面積。這些特點在一定程度上揭示了A117V突變體聚集傾向增強的原因,一方面A117V突變體更容易獲得致病性中間態(tài),同時較大的疏水性表面積則易于形成鏈間疏水性相互作用,推動低聚體的形成。H111 S突變所引起的效應則與A117V相反,這很好地解釋了H111S突變體較弱的聚集傾向形成的原因。最后,我們對包含在PrP106-126中的回文序列進行了系統(tǒng)地研究。朊蛋白的回文序列AGAAAAGA(PrP113-120)具有很強的聚集傾向,同時該序列在朊蛋白構(gòu)象的轉(zhuǎn)變過程中起著重要的作用。與格斯特曼綜合征相關的突變A117V也發(fā)生在該保守性序列中但A117V突變對該段多肽折疊和聚集的影響還不明確。在論文的第五章中,為了研究A117V突變對PrP113-120折疊和低聚的影響,我們對單體,兩條多肽,四條多肽等三個體系進行了共計六組的REMD模擬。單體的模擬表明,野生型和突變型的PrP113-120主要的構(gòu)象均為無規(guī)則卷曲,也獲得了部分的螺旋結(jié)構(gòu)。A117V突變增強了PrP113-120的結(jié)構(gòu)多樣性。對兩條多肽和四條多肽體系的模擬表明,A117V突變增加了體系中β-sheet的含量和低聚體的含量。這種現(xiàn)象可能是鏈間的氫鍵和疏水性相互作用的增強引起的。該工作闡明了A117V突變對回文序列折疊和聚集的影響,有利于理解朊蛋白的錯誤折疊機制和格斯特曼綜合征的致病根源。
【關鍵詞】：傳染性海綿狀腦病 朊蛋白 PrP106-126 回文序列 折疊與聚集 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】：R742.9
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 朊蛋白錯誤折疊與聚集的分子動力學模擬研究進展13-35
• 1.1 蛋白質(zhì)的錯誤折疊和淀粉樣沉淀13-15
• 1.2 朊蛋白和朊病15-21
• 1.2.1 朊病研究的歷史15-16
• 1.2.2 “Protein Only”假說16-17
• 1.2.3 PrP~C的結(jié)構(gòu)特征17-18
• 1.2.4 PrP~(Sc)的結(jié)構(gòu)18
• 1.2.5 朊蛋白的構(gòu)象轉(zhuǎn)變模型18-19
• 1.2.6 影響朊蛋白錯誤折疊和聚集的關鍵序列19-21
• 1.3 分子模擬方法在朊蛋白研究中的應用21-26
• 1.3.1 關鍵氨基酸突變對朊蛋白球狀域的影響21-23
• 1.3.2 朊蛋白球狀域的聚集機制研究23-24
• 1.3.3 朊蛋白關鍵序列的分子動力學模擬研究24
• 1.3.4 多肽折疊和聚集研究中常用的模擬方法24-26
• 1.4 分子動力學模擬26-33
• 1.4.1 分子動力學模擬的發(fā)展歷史26-27
• 1.4.2 力場27-28
• 1.4.3 溶劑模型28-29
• 1.4.4 分子動力學29-30
• 1.4.5 分子動力學模擬的一般步驟30-31
• 1.4.6 副本交換動力學模擬31-33
• 1.5 本論文的選題思路和研究內(nèi)容33-35
• 第二章 基于分子動力學模擬研究Cys179-Cys214二硫鍵對朊蛋白結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響35-47
• 2.1 研究背景35
• 2.2 研究體系和方法35-38
• 2.3 結(jié)果與討論38-45
• 2.3.1 朊蛋白的野生型、還原型和丙氨酸突變型的整體穩(wěn)定性38-40
• 2.3.2 二硫鍵的斷裂對朊蛋白二級結(jié)構(gòu)的影響40-42
• 2.3.3 二硫鍵的斷裂對朊蛋白局部結(jié)構(gòu)的影響42-45
• 2.4 結(jié)論45-47
• 第三章 基于常規(guī)分子動力學模擬和副本交換分子動力學模擬研究PrP106-126的結(jié)構(gòu)多樣性和聚集機制47-62
• 3.1 研究背景47-48
• 3.2 研究的體系和方法48-49
• 3.2.1 體系設置48
• 3.2.2 模擬設置48-49
• 3.2.3 分析方法49
• 3.3 結(jié)果與討論49-61
• 3.3.1 PrP106-126單體的REMD模擬49-53
• 3.3.2 二聚體形成的副本交換的分子動力學模擬53-56
• 3.3.3 基于常規(guī)分子動力學模擬研究低聚體的形成過程56-61
• 3.4 結(jié)論61-62
• 第四章 基于副本交換的分子動力學模擬研究致病性突變A117V和保護性突變H111S對PrP106-126折疊和聚集的影響62-75
• 4.1 研究背景62
• 4.2 研究體系和方法62-63
• 4.3 結(jié)果和討論63-74
• 4.3.1 REMD模擬的收斂63-65
• 4.3.2 二級結(jié)構(gòu)的變化65-67
• 4.3.3 PrP106-126及其突變體的自由能面67
• 4.3.4 PrP106-126及其突變體的構(gòu)象空間67-70
• 4.3.5 PrP106-126及其突變體中的鏈內(nèi)相互作用70-74
• 4.4 結(jié)論74-75
• 第五章 基于副本交換的分子動力學模擬研究A117V突變對朊蛋白回文序列折疊和聚集的影響75-87
• 5.1 研究背景75-76
• 5.2 研究的體系和方法76-77
• 5.2.1 模擬設置76
• 5.2.2 分析方法76-77
• 5.3 結(jié)果和討論77-86
• 5.3.1 PrP113-120的野生型和A117V突變型單體的結(jié)構(gòu)特征77-79
• 5.3.2 PrP113-120的野生型和A117V突變型的構(gòu)象空間特征79-81
• 5.3.3 兩條多肽體系中PrP113-120及其突變體的二級結(jié)構(gòu)81
• 5.3.4 兩條多肽體系中PrP113-120及其突變體的鏈間相互作用81-83
• 5.3.5 四條多肽體系中PrP113-120及其突變體的聚集行為83-84
• 5.3.6 四條多肽體系中PrP113-120及其突變體的二級結(jié)構(gòu)84-85
• 5.3.7 四條多肽體系中PrP113-120及其突變體的鏈間相互作用85-86
• 5.4 結(jié)論86-87
• 參考文獻87-106
• 在學期間發(fā)表的論文目錄106-107
• 致謝107-108

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1 朱小玲;劉永生;張杰;吳潤;陳豪泰;姜海霞;路偉;謝慶閣;;秦川黃牛成熟朊蛋白單克隆抗體的制備及鑒定[J];中國人獸共患病學報;2006年09期

2 杜芬;梅芳華;肖庚富;梁毅;;牛朊蛋白理化性質(zhì)分析及其多克隆抗體的制備[J];武漢大學學報(醫(yī)學版);2009年05期

3 劉雯,左O;朊蛋白及朊蛋白疾病[J];中國優(yōu)生與遺傳雜志;1997年06期

4 郭英;朊蛋白疾病[J];齊齊哈爾醫(yī)學院學報;2001年10期

5 孫晗;劉存歧;;重組人朊蛋白成纖維研究進展[J];科技信息;2012年14期

6 許彩民,潘華珍;朊蛋白研究進展[J];國外醫(yī)學(分子生物學分冊);2001年03期

7 彭麗;胡萍萍;李原芳;;α,β,γ,δ-四(對磺苯基)卟啉與細胞型朊蛋白的體外作用研究[J];西南大學學報(自然科學版);2010年03期

8 肖賽金;胡萍萍;譚克俊;甄淑君;黃承志;;肝素誘導人細胞型朊蛋白構(gòu)象變化的光譜表征[J];化學學報;2010年10期

9 呼志斌;吳潤;劉湘濤;陳建華;趙春林;;黃牛朊蛋白原核表達產(chǎn)物的復性與活性分析[J];蘭州大學學報(醫(yī)學版);2010年04期

10 張杰;李朝陽;徐江;;朊蛋白在惡性腫瘤中的研究進展及展望[J];實用腫瘤雜志;2014年03期

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1 苑方重;張珠明;趙德明;;金屬離子與朊蛋白疾病[A];中國畜牧獸醫(yī)學會2010年學術年會——第二屆中國獸醫(yī)臨床大會論文集(上冊)[C];2010年

2 管峰;石國慶;楊利國;;乳中朊蛋白及安全性研究進展[A];中國畜牧獸醫(yī)學會動物繁殖學分會第十五屆學術研討會論文集（下冊）[C];2010年

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6 張珠明;趙德明;;朊蛋白基因多態(tài)性與動物傳染性海綿狀腦病[A];中國微生物學會微生物資源專業(yè)委員會成立大會暨第一屆學術研討會論文摘要集[C];2009年

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8 楊秀進;楊利峰;趙德明;;牛、羊、人等六種朊蛋白的全真表達、純化及復性方法的研究[A];第四屆全國微生物資源學術暨國家微生物資源平臺運行服務研討會論文集[C];2012年

9 趙德明;;動物傳染性海綿狀腦病研究進展[A];中國畜牧獸醫(yī)學會獸醫(yī)病理學分會第十三次學術討論會和中國病理生理學會動物病理生理專業(yè)委員會第十二次學術討論會論文集[C];2005年

10 陳豪泰;張杰;劉永生;吳潤;;羊與麝朊蛋白基因的序列差異[A];中國畜牧獸醫(yī)學會2006學術年會論文集（上冊）[C];2006年

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1 通訊員 劉克元 特約記者 徐雅金;重組朊蛋白可抑制“瘋牛病”傳播[N];健康報;2013年

2 ;美國“新牛”不染瘋牛病[N];天津日報;2007年

3 本文由香港麥迪信醫(yī)學出版有限公司供稿;“垃圾處理”系統(tǒng)失靈[N];醫(yī)藥經(jīng)濟報;2002年

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1 寧璐璐;朊蛋白錯誤折疊和聚集機制的分子動力學模擬研究[D];蘭州大學;2015年

2 宮彬彬;N-端23-30位氨基酸對朊蛋白胞吞、抗氧化功能及繁殖影響的研究[D];吉林大學;2011年

3 寧章勇;朊蛋白基因表達與傳染性海綿狀腦病發(fā)生發(fā)展關系的研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學;2005年

4 張吉斌;抗—牛朊蛋白單鏈抗體檢測系統(tǒng)的構(gòu)建、表征與應用[D];華中農(nóng)業(yè)大學;2006年

5 張杰;哺乳動物朊蛋白與疊朊的原核表達及牛朊蛋白單抗制備[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2006年

6 周拯;大分子擁擠環(huán)境中朊蛋白錯誤折疊機制研究[D];武漢大學;2009年

7 胡萍萍;基于朊蛋白—核酸適配子相互作用的朊蛋白定量生物學研究[D];西南大學;2014年

8 吳潤;偶蹄動物朊蛋白基因結(jié)構(gòu)特征及其重組蛋白抗原性的研究[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2004年

9 刁小龍;雞朊蛋白參與DF-1細胞增殖粘附的功能研究[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2013年

10 梅芳華;牛、鼠、兔朊蛋白理化性質(zhì)比較及朊蛋白的互作蛋白KCTD1的分析[D];武漢大學;2014年

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1 施沖旭;PRRSV的分離鑒定及其對Marc-145細胞型朊蛋白表達影響的研究[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2015年

2 羅鵬;雞朊蛋白的抗血清制備及其在神經(jīng)系統(tǒng)中的分布[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2012年

3 王朝霞;限制性酶改性小麥谷朊蛋白乳化作用及乳化機理研究[D];齊魯工業(yè)大學;2014年

4 陳建華;牛朊蛋白3個單氨基酸變異體的原核表達及其包涵體蛋白的變性與復性[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2005年

5 馬俊俊;利用酵母雙雜交系統(tǒng)確定細胞型朊蛋白與浮艦蛋白相互作用的分子區(qū)域[D];中國農(nóng)業(yè)科學院;2013年

6 梅國勇;朊蛋白與信號蛋白14-3-3β相互作用的研究[D];安徽理工大學;2009年

7 彭麗;基于核酸適配子和納米顆粒的朊蛋白檢測及活細胞標記成像研究[D];西南大學;2011年

8 姜中毅;馬麝朊蛋白基因的克隆與原核表達[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2005年

9 郭洪偉;朊蛋白的細胞膜定位與其構(gòu)象轉(zhuǎn)變關系的研究[D];華東師范大學;2014年

10 伍志偉;牛朊蛋白的多克隆抗體制備及其在腦組織中分布的檢測[D];甘肅農(nóng)業(yè)大學;2005年

  本文關鍵詞：朊蛋白錯誤折疊和聚集機制的分子動力學模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

，

本文編號：343733