拥挤环境中β-淀粉样蛋白聚集的分子机制研究

The aggregation of amyloid-β (Aβ) peptides is associated with the pathogenesis of Alzheimer’s disease. Increasing evidence shows that small oligomers, rather than monomers and mature fibrils, play a crucial role in cytotoxicity to trigger pathological processes. The interior of the cell contains a high concentration of dissolved solutes, principally ions, metabolites, and RNA. This crowded microenvironment in vivo will influence the structure and aggregation of amyloid peptides, whose mechanism remains unclear. Here we employ replica exchange molecular dynamics (REMD) simulations associated with coarse-grain models to investigate the crowding effect on the structure and aggregation of Aβ at atomic level. Our simulations show that the secondary and tertiary structures as well as the assembling process of Aβ peptides are different in the absence and presence of crowders. Detailed analysis of peptide-crowder interaction demonstrates that the crowding effect on Aβ aggregation also depends on the concentration, size, and properties of crowders, in which the hydrophobic and electrostatic interaction.make a dominant contribution. This study provides structural insights into the mechanism of Aβ aggregation in company with crowders, which is helpful for novel design of Aβ inhibitor.

β-淀粉样蛋白(amyloid β)的聚集被认为与阿兹海默症的发病机理有关。越来越多的证据表明，淀粉样蛋白的低聚体，而非单体或者不溶的成熟纤维，在触发病理过程以及引起细胞毒性上起到了关键作用。在活体中，蛋白质之间存在着离子、代谢物、RNA等多种媒质，这种拥挤环境会影响蛋白质的结构和聚集，然而拥挤效应对淀粉样蛋白的作用却尚不清楚。这里我们采用副本交换分子动力学方法和粗粒化模型，对β-淀粉样蛋白在拥挤环境中的聚集过程以及各个聚集阶段的蛋白质结构，进行原子水平的观测；同时比较非拥挤和拥挤环境下，肽链的二级结构、三级结构、以及聚集动力学的差异；考察不同浓度、大小和性质的媒质与β-淀粉样蛋白的相互作用，揭示拥挤环境中β-淀粉样蛋白的聚集机理。我们的研究有助于理解活体内淀粉样蛋白的聚集机理及其生物毒性的产生机制，为抗老年痴呆药物的研发提供理论基础和设计思路。

β-淀粉样蛋白的聚集与阿尔茨海默病的发病机理密切相关。淀粉样蛋白的低聚体，而非单体或者不溶的成熟纤维，在触发病理过程以及引发神经细胞毒性上起到了关键作用。由于β-淀粉样蛋白自身结构的天然无序性，实验上观测到其低聚体及聚集动力学过程非常困难。在活体中，蛋白质之间还存在着离子、代谢物、RNA等多种媒质，这种拥挤环境会影响蛋白质的结构和聚集，然而拥挤效应对淀粉样蛋白的作用也尚不清楚。针对上述问题，我们结合副本交换分子动力学方法和粗粒化模型，研究了β-淀粉样蛋白低聚体及其突变体的构象，研究了环境媒质的带电性、亲疏水性、浓度和尺寸对β-淀粉样蛋白的聚集体结构和聚集过程的影响，并以几种分子作为具体媒质研究了其与β-淀粉样蛋白相互作用的特异性，最后总结和展望了β-淀粉样蛋白的研究热点和发展趋势。我们的研究结果表明：1. 主链间的氢键作用、侧链间的疏水和π堆积作用、以及关键氨基酸的盐桥作用，对维持β-淀粉样蛋白低聚体的结构至关重要；2. 带电媒质的增加不利于β-淀粉样蛋白聚集，它可以减弱主链间氢键作用和静电作用，屏蔽侧链间盐桥作用，同时破坏肽链周围水分子的连续性； 3. 疏水媒质更容易破坏β-淀粉样蛋白低聚体稳定性，适当的增加其亲水性可以促进媒质在蛋白表面的移动以及对纤维伸长面氢键位点的遮盖，从而增加其抑制效率；4. 大尺寸且高浓度的刚性媒质可以抑制β-淀粉样蛋白的二聚化，主要依靠高体积占比实现的空间受限作用；5. 去甲肾上腺素和C60(OH)6是非常有效的抑制剂，可以抑制β-淀粉样蛋白低聚化，同时破坏原纤维的稳定性；6. β-淀粉样蛋白的研究热点和发展趋势将围绕在阿尔茨海默病前期认知障碍的诊断与干预、β-淀粉样蛋白沉积的降解等相关问题上。我们的研究有助于理解淀粉样蛋白的聚集机理及其生物毒性的产生机制，有助于基于抑制淀粉样蛋白聚集的治疗方案的形成，为抗阿尔茨海默病药物的研发提供理论基础和设计思路。