采用分子动力学模拟和简化蛋白质模型研究人微球蛋白83-89片段低聚体的自组装过程

摘要

神经细胞中的特定蛋白质呈淀粉样聚集会导致包括老年痴呆症,帕金森氏症以及疯牛病在内的超过20种神经性退化疾病。本文中所探讨的人微球蛋白也会产生相似的聚集过程而导致血液透析病。在过去20年中,尽管人们已经做了大量的实验和理论工作,但是无论对于完整致病蛋白质还是其中的某些片段,其聚集早期阶段的详细过程和机理并没有被研究透彻。对聚集早期阶段的研究正引起研究人员的浓厚兴趣。因为不断有证据表明聚集过程中水溶性的低聚体比完整的纤维状态具有更强的细胞毒性,并且这些由不同致病蛋白或蛋白片段形成的低聚体可以被相同的抗体识别。研究蛋白质聚集的初始阶段不仅可以从分子角度了解低聚体形成的过程,而且可以揭示不同的氨基酸序列对于聚集动力学和低聚体结构的影响。虽然科学家已经发现很多种蛋白质可以聚集形成纤维化结构,但是在分子层面上,由于纤维结构的不可溶性和实验手段的制约,人们对蛋白质纤维低聚体的结构和聚集过程的了解仍然有限。由于链状分子折叠的过程复杂,通常熵的变化会对结构产生较大影响,同时低聚体聚集过程发生在纳米的空间尺度和纳秒至微秒的时间尺度,使大多数实验检测手段受到限制。因此计算机模拟可以弥补实验方面的不足,成为研究多肽聚集问题的有效方法。蛋白质聚集形成的淀粉样纤维有一些共同的特征,包括在显微镜下具有相似的形貌、可以与染色剂刚果红结合、以及具备Cross-β征结构的X射线衍射图案。蛋白质聚集研究中普遍关注的问题包括了Cross-β的具体结构、形成纤维的基本结构模块(building blocks)、氨基酸序列对结构模块的影响以及低聚体聚集的成核过程。本文中所介绍的工作,是采用基于简化蛋白质模型OPEP(Optimized Potential for Efficient peptide structure Prediction)力场的分子动力学模拟,研究人的微球蛋白83-89片段的低聚体聚集过程,描述了四聚体和七聚体的自由能面以及16聚体聚集的初始阶段。特别是对结构模块的具体形态,低聚体的成核过程等问题进行了详细的讨论和研究。
　　 本研究主要内容包括：⑴针对可以产生淀粉样聚集的人微球蛋白83-89片段的四聚体进行初步研究。由于此前对于该片段的计算机研究只达到二聚体的大小,我们同时采用分子动力学(Molecular Dynamics,MD)和蒙特卡罗(Monte Carlo,MC)方法研究四聚体在纤维聚集初期可能出现的聚集形态,以及直接的热力学性质和动力学转化过程。根据成核理论,蛋白质聚集过程中成核尺寸可能随片段序列的不同而存在差异。我们发现,对于人微球蛋白83-89片段低聚体,模拟得到的可能形成纤维结构的有序构形几率都比较低,由此可以推断该片段的成核尺寸要多于四条链。与此同时,模拟中还发现了卷曲的单层晰叠和环状结构。在后续研究中我们发现,这些结构作为形成更大更有序构形的过渡状态而存在。⑵为检验在前期四聚体模拟中得到的具有纤维基本模块特征的两种结构,即平展单层鼬β折叠和双层β折叠是否具有进一步形成结构模块的可能性,我们模拟了83-89片段的七聚体体系。研究发现,随着体系增大,即链的数目增加,疏水相互作用开始对结构的形成以及稳定产生至关重要的作用。单层的β折叠不复存在,相应的平行双层晰叠几率明显上升,并且在层与层之间形成了稳定的疏水基团。从我们的模拟结果推断,平行双层晰叠结构是人微球蛋白83-89片段纤维模块可能的聚集构形。在模拟过程中,我们还发现了β桶状结构,即由β折叠卷曲包围形成的通道结构,在桶的中心存在紧密的疏水核,由非极性氨基酸侧链原子组成。这种聚集过程出现的桶状可以通过两种路径形成。一种是由卷曲单层晰叠通过结合游离单链加长围成；另一种是直接通过垂直的双层晰叠转化而成。深入研究β桶状结构可以发现,它可以与垂直双层晰叠结构相互转化,进而转化成平行双层结构。所以我们认为,β桶状结构是低聚体聚集过程中的中间状态。⑶在计算资源和模拟时间允许的条件下,结合所采用的MD-OPEP方法具有高效率的特点,进行83-89片段16聚体的分子动力学模拟。在已有的6个模拟中,体系并没有直接形成有序结构模块的形态。出现的多种多样的球形空间结构说明,在疏水相互作用强于氢键相互作用时,体系需要更长的聚集时间形成稳定而有序的氢键,从而形成稳定的纤维结构模块。⑷总结了前文中针对人微球蛋白83-89片段不同体系所进行的研究。通过类比这三种不同大小的体系,我们发现了83-89片段低聚体的一系列有序构形、形成并维持这些构形的主要相互作用类型、纤维前体的结构模块、特殊的转变中间态以及聚集成核的过程。