生物膜中神经节苷脂GM1与淀粉样beta肽的分子作用机理研究

单体和非毒性的淀粉体beta(Aβ)如何在大脑中转化成病毒性的聚合物是当今阿尔茨海默症研究的焦点问题。现已发现，神经节苷脂(GM1)能引起Aβ的非正常折叠，从而导致Aβ的纤维化和神经毒性，但其作用机理尚待阐明。在前期工作的基础上，我们拟采用原子力显微镜，荧光显微镜、拉曼光谱、红外光谱和荧光光谱等手段深入系统地研究Aβ40与GM1/SM/Chol、GM1/PC和GM1/Chol等一系列不同衬底上的平面脂质支撑膜和膜囊泡的相互作用，根据这种作用对膜形貌、Aβ的插膜位置和Aβ纤维化速度及毒性的影响等，明确GM1分子构象差异与Aβ蛋白纤维化及毒性之间的关系，进而结合分子动力学模拟确定GM1怎样的分子构象促进了Aβ蛋白的纤维化。本研究旨在从分子构象角度阐明神经节苷脂与Aβ相互作用的分子机制，寻找Aβ从单体开始聚合，并从α螺旋到β折叠的途径，为阿尔茨海默症的治疗提供理论基础，为新药物的研发提供线索。

阿尔茨海默病(AD)，是最常见的神经性功能障碍疾病，许多研究表明AD的发病机理主要是淀粉样蛋白质 (Aβ)聚集纤维化后沉积在大脑边缘和大脑皮层形成的神经炎性斑块所引起的，含神经节苷脂的细胞膜在Aβ蛋白的聚集和纤维化过程中起到至关重要的作用，但是其作用机理还不是很清楚。本项目采用拉曼光谱、荧光成像、原子力、电化学和电镜以及分子动力学模拟等手段研究了Aβ40与模拟细胞膜的相互作用机理和分子构象变化。主要包括构建合适手段探测脂质双层膜的拉曼信号，在不同衬底上观测到了水下各种组分的5-6nm固体支撑脂质双层膜的特征振动。以神经节苷脂(GM1)、鞘磷脂(SM)和胆固醇(Chol)作为模拟细胞膜，研究Aβ40与其作用，结果发现Aβ蛋白通过CH-π作用被GM1分子头部的Neu5Ac绑定在膜表面，然后Aβ(1−40)的疏水性C终端插入双层膜中与膜的疏水端开始相互作用，随着时间的增加，相互作用逐渐增强，导致Aβ(1−40)从单体转变为α螺旋结构进而转变成β折叠结构，时间越长，出现的α、β特征结构越多，同时膜受到一定程度破坏，流动性降低，酰基链的亚甲基终端被暴露出来，膜被穿透。对比云母衬底，SiO2表面上形成的脂质双层膜的流动性较小，横向链间相互作用较大，特别是GM1的Neu5Ac没有暴露在表面，不利于Aβ的绑定和插膜以及GM1团簇的形成，使得Aβ在其膜表面的聚集和纤维化都相对较慢，结果证明不同衬底影响GM1的分子构象以及双层膜的性能，GM1头端的Neu5Ac在Aβ的绑定中起关键性作用。GM1/SM/Chol固体支撑双层膜与Aβ蛋白相互作用的电化学行为研究也表明蛋白会插入膜内部，进而会破坏膜的完整性。分子动力学模拟证明了疏水性相互作用对Aβ蛋白折叠结构的稳定性至关重要。