与生物膜的相互作用调控朊病毒错误折叠及毒性机制的分子模拟研究

缺乏分子水平致病机制的理解是抗击目前国际上流行且没有有效治疗方法的朊病毒病的瓶颈所在。本项目针对实验手段研究这一关键问题存在的困难和缺陷，拟采用具有明显优势的先进的分子模拟手段结合高速发展的计算加速技术，从一个全新的角度-与生物膜的相互作用对朊蛋白错误折叠及毒性产生的影响，研究朊病毒病的分子致病机制。通过长时间大规模的分子动力学模拟从分子水平深入探讨朊病毒蛋白在水中及膜中的错误折叠机制及聚集机理；分析家族型朊病毒病其特定氨基酸突变致病的根本原因；阐明错误折叠朊蛋白通过形成特异性的离子通道还是非特异性相互作用干扰生物膜的结构和功能；在此基础上揭示朊病毒病的致病物质及分子致病机理。朊病毒病致病物质的揭示及致病机理的深入理解，将不仅为寻找有效的治疗和预防朊病毒病的药物以及选择合理的治疗策略提供有价值的理论指导，对于理解、预防和抗击发病机理相似的其它神经退行性疾病也具有重要的理论和实际应用价值。

本项目针对朊病毒致病机制研究中存在的亟待解决的问题， 首先探讨了几个和家族性朊病毒病密切相关的突变T188K/R/A，D202N, E211Q和Q217R对朊蛋白结构的影响，研究结果表明188位置的三个突变对PrP的结构产生了多样性的影响，而H3上的三个突变（D202N, E211Q和Q217R）对结构仅产生了轻微的影响，而突变使得蛋白表面的静电势发生很大的改变，这表明不同位置的突变具有不同的致病机制。通过朊蛋白易发生错误折叠域PrP106-126以及回文序列PrP113-120在水和膜环境中的折叠过程模拟，我们发现PrP106-126在水中和膜中具有完全不同的构象空间，膜环境明显地改变了PrP106-126的结构，PrP106-126在膜内更容易获得螺旋结构。基于获得的朊蛋白错误折叠的单体构象模拟了朊蛋白错误折叠域在水中和生物膜中的聚集机理，揭示了决定其聚集过程的核心作用力；为了探讨低聚体对膜的干扰，我们通过hIAPP五聚体和混合膜相互作用的分子动力学模拟，发现低聚体确实会导致膜稳定性降低，膜表面变得不平整，对膜产生破坏作用。结合前面在隐式膜中折叠和聚集过程的模拟，可以得出结论，生物膜诱导朊蛋白发生聚集其根本的原因可能是首先由于膜表面和蛋白的相互作用可能加速蛋白的聚集，进而形成对生物膜有破坏作用的低聚体，产生细胞毒性。. 项目经过三年的研究工作，已顺利完成项目的计划内容，从分子水平上逐步阐释了朊病毒病可能的发病机制, 得到的结果将为寻找合理有效的抗击朊病毒的药物以及选择合理的治疗策略提供有价值的理论指导， 同时也为理解、预防、抗击致病机理相似的其他神经退行性疾病提供重要的理论和实际应用价值。结合该项目的完成，发表SCI 论文8篇，分别发表在相关领域的权威期刊如BBA-General Subjects, Journal of Structural Biology, PLoS One等上。